什么是MEMS？

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術(shù)，或在日本被稱為微機(jī)械，是一類器件，其特點(diǎn)是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米——1微米可是要比人們頭發(fā)的直徑小很多。

　　MEMS往往會(huì)采用常見的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結(jié)構(gòu)。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。

　　今天很多產(chǎn)品都利用了MEMS技術(shù)，如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測(cè)器等。

　　我們?yōu)楹涡枰狹EMS？

　 　“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動(dòng)機(jī)。他們告訴我，目前市場(chǎng)上有一種裝置，通過(guò)它你可以在大頭針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打 算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個(gè)驚人的小世界。公元2000年，當(dāng)他們回顧當(dāng)前階段時(shí)，他們會(huì)想知道為何直到1960年，才有人開始認(rèn)真地朝這 個(gè)方向努力。”——理查德·費(fèi)曼，《底部仍然存在充足的空間》發(fā)表于1959年12月29日于加州理工大學(xué)（Caltech）舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)。

　　在這個(gè)經(jīng)典的帶預(yù)言性質(zhì)的演講《底部仍然存在充足的空間》中，理查德·費(fèi)曼繼續(xù)描述我們?nèi)绾卧卺樇馍蠈懗龃笥倏迫珪拿恳痪怼５覀兛赡軙?huì)問：為什么要在這樣一個(gè)微小尺上生成這些對(duì)象？

　 　（編者注：理查德·費(fèi)曼（1918年5月11日－1988年2月15日），費(fèi)曼是十九世紀(jì)末，俄羅斯和波蘭猶太人移民到美國(guó)的后裔。美國(guó)物理學(xué)家。 1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。提出了費(fèi)曼圖、費(fèi)曼規(guī)則和重正化的計(jì)算方法，是研究量子電動(dòng)力學(xué)和粒子物理學(xué)不可缺少的工具。費(fèi)曼被認(rèn)為是愛因斯坦之后最睿 智的理論物理學(xué)家，也是第一位提出納米概念的人）

　 　MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務(wù)，同時(shí)還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這其中第一個(gè)以及最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是小型化。如前所述，MEMS規(guī)模的器件， 小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產(chǎn)工藝制造。如同集成電路產(chǎn)業(yè)一樣，批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。在一般情況下，微機(jī)電系統(tǒng)也需要非常量 小的材料以進(jìn)行生產(chǎn)，可進(jìn)一步降低成本。

　　除了價(jià)格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價(jià)物的應(yīng)用范圍更廣。在智能手機(jī)、相機(jī)、氣囊控制單元或類似的小型設(shè)備中，竭盡所能也設(shè)計(jì)不出金屬球和彈簧加速度計(jì)；但通過(guò)減小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，MEMS器件可以用在容不下傳統(tǒng)傳感器的應(yīng)用中。

　 　易于集成是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈儾捎门cASIC制造相似的制造流程，MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結(jié)構(gòu)集 成在一個(gè)真正的一體化器件中雖然挑戰(zhàn)性很大，但并非不可能，而且在逐步實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的 MEMS 產(chǎn)品。

　 　德州儀器的數(shù)字微鏡器件（DMD）就是其中一個(gè)案例。DMD是TI DLP? 技術(shù)的核心，它廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲(chǔ)單元之間的電勢(shì)進(jìn)行靜電致動(dòng)。灰度圖像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。顏色通過(guò)使用三芯片方案（每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片），或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。

　　或許MEMS技術(shù)的一個(gè)最有趣特性是設(shè)計(jì)師得以展示在如此小規(guī)模的物理域中發(fā)掘物理獨(dú)特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　MEMS現(xiàn)狀

　 　基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。例如MEMS振動(dòng)結(jié) 構(gòu)陀螺儀，是一款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備，目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集 成在一個(gè)單芯片中可助力特定的汽車應(yīng)用---因?yàn)樗鼈兊木纫罂赡軙?huì)非常高。基于MEMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代 了機(jī)械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個(gè)帶有一定質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)以作為彈 簧。當(dāng)傳感器沿梁的軸線加速時(shí)，該梁會(huì)移動(dòng)一段距離，這段距離可以通過(guò)梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來(lái)測(cè)量。

　 　許多商用和工業(yè)用噴墨打印機(jī)使用基于MEMS技術(shù)的打印機(jī)噴頭，保持這些墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴——這一技術(shù)被稱為按需投放（DoD）。墨滴 放置在橫跨壓電材料（比如 lead zirconatetitanate，）組成的元件中，通過(guò)施加的電壓來(lái)進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過(guò)施力形成一個(gè)非常小量（相對(duì)壓縮）的 墨水，并從噴嘴中噴出。

　 　與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。微機(jī)械繼電器（MMR），比如歐姆龍開發(fā)的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆 龍發(fā)揮了自己的微機(jī)電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢(shì)，為市場(chǎng)帶來(lái)新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過(guò)程中集成了ASIC和熱電堆元 件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米（4x4元件類型）。

　 　當(dāng)然，當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件，考慮一下人的感官：?jiǎn)沃谎蹘Ыo我們顏色、運(yùn)動(dòng)和（一些）位置信息，而兩只眼睛將帶來(lái)雙眼視覺，改善立體 感知。事實(shí)上，我們的許多感知體驗(yàn)需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過(guò)將傳感數(shù)據(jù)組合起來(lái)，可以彌補(bǔ)單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺 點(diǎn)，并達(dá)到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類領(lǐng)域，這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領(lǐng)域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當(dāng)它涉及到 MEMS時(shí)，是移動(dòng)設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開始提供完整的解決方案，如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平 臺(tái)。該平臺(tái)集成了3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環(huán)境光傳感器，并帶有一個(gè)ColdFire + MCU，以提供一個(gè)完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

　　隨著MEMS器件的優(yōu)勢(shì)獲得認(rèn)可，MEMS市場(chǎng)步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報(bào)告中所述，在接下來(lái)6年，MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長(zhǎng)”，2017年全球市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到210億美元。

基于閉環(huán)MEMS的電容式慣性傳感器設(shè)計(jì)

　　微機(jī)械式慣性傳感器已經(jīng)成為許多消費(fèi)產(chǎn)品的一個(gè)組成部分，比如手持式移動(dòng)終端、照相機(jī)和游戲控制器等。此外，微機(jī)械式慣性傳感器還被廣泛用于工 業(yè)、汽車安全和穩(wěn)定控制以及導(dǎo)航領(lǐng)域中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，微型傳感器可以是壓電式、壓阻式或電容式傳感器。然而，電容式傳感的高熱穩(wěn)定性和高靈敏度使 得它對(duì)種類廣泛的應(yīng)用來(lái)說(shuō)更具吸引力。

　　帶數(shù)字讀取功能的基本的電容式傳感器接口電路由電容到電壓轉(zhuǎn)換器（C/V），以及隨后的 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）和信號(hào)調(diào)節(jié)電路組成。以開環(huán)配置（沒有反饋信號(hào)）運(yùn)行這種傳感器可以形成相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)本身就比較穩(wěn)定。盡管如此，開環(huán)工 作時(shí)的系統(tǒng)對(duì)MEMS參數(shù)會(huì)非常敏感。此外，整個(gè)系統(tǒng)的線性度受傳感器系統(tǒng)鏈中每個(gè)模塊的線性度影響，而且C/V和A/D的動(dòng)態(tài)范圍要求可能會(huì)更加嚴(yán)格。 相反，將MEMS傳感器放在負(fù)反饋閉環(huán)中使用有許多好處，例如改進(jìn)的帶寬、對(duì)MEMS器件的工藝和溫度變化具有較低的敏感性。另外，由于C/V只需要處理 誤差信號(hào)，與開環(huán)工作方式相比，C/V動(dòng)態(tài)范圍和線性指標(biāo)可以放寬。因此為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，正確設(shè)計(jì)反饋環(huán)路就顯得非常重要。

　　在電容式傳感器中，反饋信號(hào)以電容激勵(lì)電極上的電壓信號(hào)形式施加到MEMS。這個(gè)施加的電壓將產(chǎn)生一個(gè)靜電力并作用到MEMS質(zhì)量塊上。因此最終形成的系統(tǒng)被稱為力反饋系統(tǒng)。然而，電容有一個(gè)二次的電壓比力關(guān)系，它會(huì)限制系統(tǒng)的線性度。

　 　克服電壓比力（V/F）二次關(guān)系負(fù)擔(dān)的一種方法是以差分方式施加激勵(lì)信號(hào)，以便抵消二次項(xiàng)。然而，這種技術(shù)要求正負(fù)電壓值，這將增加傳感器接口ASIC 的復(fù)雜性。更重要的是，差分工作所需的兩個(gè)激勵(lì)電容如果不匹配會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)二次項(xiàng)不能完全抵消，因此電容不匹配將限制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的性能。

　　 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作的另外一種方法使用兩級(jí)bang-bang反饋信號(hào)。由于只用到兩個(gè)點(diǎn)的二次V/F關(guān)系，這種方法天生就是線性的，而且并不依賴MEMS電容 的匹配或使用負(fù)電壓去抵消非線性。使用兩級(jí)激勵(lì)意味著將反饋信號(hào)幅度中的信息轉(zhuǎn)換為時(shí)間信息。因此Σ-Δ調(diào)制可以成為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)數(shù)字讀取傳感器的一種有效技 術(shù)。另外，基于Σ-Δ的環(huán)路默認(rèn)提供模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，因此不需要再使用單獨(dú)的A/D。Σ-Δ閉環(huán)架構(gòu)代表了高性能數(shù)字讀取傳感器的最優(yōu)架構(gòu)。值得注意的 是，Σ-Δ系統(tǒng)的超采樣特性會(huì)使操作系統(tǒng)工作在相對(duì)較高的頻率，因此系統(tǒng)變得較易受MEMS寄生電容耦合的影響。盡管如此，抵消這種耦合的電路技術(shù)已經(jīng)非 常成熟，并且可以在傳感器的接口ASIC中實(shí)現(xiàn)。Σ-Δ閉環(huán)傳感器的架構(gòu)選擇需要依據(jù)為電子Σ-Δ系統(tǒng)開發(fā)的深層技術(shù)。然而，具有自然電子－機(jī)械特性的 Σ-Δ閉環(huán)傳感器在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與優(yōu)化時(shí)需要正確理解MEMS的工作原理和建模機(jī)制。典型MEMS傳感器的檢測(cè)部分行為就像是一個(gè)二階集總式質(zhì)量塊（阻尼 器）彈簧機(jī)械系統(tǒng)，具有單一的諧振頻率，其傳遞函數(shù)如下：

　　其中Fin（s）是輸入的力（在使用陀螺儀時(shí)是科里奧利力，在使用加速度計(jì)時(shí)是由于輸入加速產(chǎn)生的力）。x（s）是傳感器質(zhì)量塊對(duì)應(yīng)輸入力的位移。m是質(zhì)量塊的質(zhì)量，D是阻尼系數(shù)，k是彈簧常數(shù)（剛度）。

　 　MEMS傳感器的工作原理基于這樣一個(gè)事實(shí)：給MEMS施加一個(gè)輸入力（Fin）將產(chǎn)生一定的位移，進(jìn)而改變MEMS電容（Cout）。這個(gè)Cout可 以用連接MEMS單元的電路進(jìn)行測(cè)量。帶激勵(lì)電極的MEMS傳感器建模如圖1所示。這個(gè)模型的增益是Kx/c，代表由于MEMS質(zhì)量塊位移引起的輸出電容 變化。Kx/c等于：

　　其中Cd是MEMS的檢測(cè)電容，X0是電容間隙距離。系數(shù)2代表差分工作。這個(gè)模型還包含一個(gè)KV/F因子，它是由于反饋電壓VACT產(chǎn)生的力：

　　其中VACT是激勵(lì)電壓，Ca是MEMS的激勵(lì)電容。吸合（拉入）是電容式MEMS傳感器的一個(gè)重要現(xiàn)象，此時(shí)電容極板由于施加的大電壓而吸合在一起，從而導(dǎo)致工作故障。防止吸合的最大靜態(tài)電壓等于：

　　其中C0是電容的剩余容量。上述Vp表達(dá)式只是用于展示Vp的相關(guān)性。

　　圖1：MEMS慣性傳感器傳感部分模型

　　但是在像Σ-Δ環(huán)路中那樣的動(dòng)態(tài)電壓激勵(lì)情況下，上述表達(dá)式不能精確地表示Vp的實(shí)際值。在基于Σ-Δ的傳感器中，MEMS用作環(huán)路濾波器，會(huì)形成一個(gè)二階電子-機(jī)械式Σ-Δ系統(tǒng)。

　　將MEMS引入Σ-Δ環(huán)路可以提高階數(shù)，并進(jìn)一步抑制量化噪聲。圖2顯示了基于Σ-Δ的傳感器框圖，其中的MEMS與特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）連接在一起組成了一個(gè)完整的傳感器。這個(gè)系統(tǒng)還集成了一個(gè)額外的Hcomp塊，用于補(bǔ)償環(huán)路并保持其穩(wěn)定性。

　　圖2： 基于Σ-Δ的閉環(huán)傳感器框圖

　 　這種閉環(huán)傳感器的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)將確定各個(gè)MEMS和ASIC參數(shù)的最優(yōu)值，比如剛度（k）、間隙距離（X0）、阻尼系數(shù)（D）、激勵(lì)電壓（VACT）和 ASIC噪聲。為了確保Σ-Δ環(huán)路的穩(wěn)定工作，傳感器的輸入信號(hào)不能超過(guò)反饋信號(hào)。因此激勵(lì)電壓值VACT定義了給定MEMS參數(shù)集條件下允許的最大輸入 信號(hào)。然而，為了允許大的輸入信號(hào)范圍而產(chǎn)生大的VACT會(huì)導(dǎo)致功耗加大，而且有時(shí)要求采用特殊的ASIC技術(shù)才能允許高壓工作。ASIC技術(shù)的選擇將影 響到傳感器的總體成本。更重要的是，VACT允許的最大值受MEMS吸合電壓Vp的限制。

　　MEMS間隙距離（X0）是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)低噪 聲工作的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。減小X0會(huì)產(chǎn)生更高的Cd和Kx/c，并因此增加MEMS前向增益（靈敏度）。高靈敏度可以減少ASIC噪聲對(duì)以傳感器輸入為參考 的噪聲的影響。另一方面，MEMS的布朗噪聲功率直接正比于阻尼系數(shù)（D）。總的傳感器噪聲由MEMS噪聲和 ASIC噪聲組成。可以根據(jù)傳感器總體目標(biāo)性能、MEMS靈敏度和阻尼系數(shù)估計(jì)最大可容忍的ASIC噪聲值。應(yīng)該注意的是，可以達(dá)到的最小X0受MEMS 技術(shù)的限制。X0值對(duì)最大輸入范圍的影響，取決于激勵(lì)電壓（VACT）是否受限于MEMS的吸合電壓。如果VACT受吸合電壓的限制，那么減小X0將導(dǎo)致 允許的最大輸入信號(hào)范圍減小。如果VACT不受吸合電壓的限制，那么X0的減小和激勵(lì)電容（Ca）及KV/F的改進(jìn)可形成更高的反饋力，最終形成更大的輸 入范圍。

　　MEMS單元的剛度（k）是一個(gè)重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)樗梢栽贛EMS單元中得到很好的控制，不像X0，其最小值受 MEMS技術(shù)的限制。假設(shè)ASIC 噪聲主導(dǎo)傳感器噪聲，那么可實(shí)現(xiàn)的最大動(dòng)態(tài)范圍（VACT設(shè)為吸合之前的最大允許值）將獨(dú)立于一階k值。這是因?yàn)樵黾觡不僅會(huì)降低MEMS靈敏度，增加以 傳感器輸入為參考的ASIC噪聲，而且也會(huì)使反饋力增加同樣的數(shù)量，因?yàn)檫@種方法允許在更高的VACT時(shí)工作。在MEMS噪聲主導(dǎo)傳感器性能的情況下，應(yīng) 增加k值，以便支持更大的動(dòng)態(tài)范圍。而在工作不受吸合限制的情況下，最好是減小k值，從而提高M(jìn)EMS靈敏度，減小ASIC噪聲對(duì)傳感器噪聲的影響。需要 注意的是，k值會(huì)改變MEMS單元的諧振頻率。在開環(huán)傳感器中，諧振頻率設(shè)定了傳感器帶寬的上限，而對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不是這樣。因此k值可以根據(jù)動(dòng)態(tài)范圍和 噪聲要求進(jìn)行設(shè)置。

　　傳感器性能對(duì)MEMS和ASIC參數(shù)的高度依賴性表明，閉環(huán)傳感器的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)需要做大量的折衷考慮，其中的 ASIC噪聲預(yù)算、激勵(lì)電壓、功耗和技術(shù)都高度依賴于MEMS參數(shù)。因此為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的傳感器，強(qiáng)烈推薦基于傳感器總體目標(biāo)規(guī)格的ASIC與MEMS協(xié)同 設(shè)計(jì)方法，而不是針對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的MEM再進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)。

　　關(guān)于作者

　　Ayman Ismail是位于埃及開羅的Si-Ware系統(tǒng)公司ASIC解決方案事業(yè)部首席工程師，可以通過(guò)電子郵件地址 ayman.ismail@si-ware.com與他取得聯(lián)系。（end）

基于MEMS慣性傳感器的加速度測(cè)量無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　微電子與微機(jī)械（MEMS）技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代傳感器設(shè)計(jì)向微型化、智能化、集成化、微低功耗方向發(fā)展。MEMS技術(shù)突破了傳統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)受質(zhì) 量、體積、功耗等技術(shù)瓶頸的束縛，在各測(cè)量領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。而隨著無(wú)線技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)與無(wú)線技術(shù)結(jié)合得越來(lái)越緊密，利用無(wú)線技術(shù)開發(fā)信號(hào) 采集無(wú)線傳輸模塊可以克服有線傳輸?shù)谋锥恕?/p>

　　本文結(jié)合三軸線性MEMS慣性傳感器LIS331DL和單片無(wú)線收發(fā)器nRF905 構(gòu)建加速度測(cè)量無(wú)線傳輸系統(tǒng)，避免因采用傳輸導(dǎo)線所帶來(lái)的不利影響和使用上的不方便。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是集電源、加速度傳感器、微控器、射頻收發(fā)器于一體，體 積小、功耗低，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體三維方向上加速度的測(cè)量。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)裝置可以非常方便地固定于運(yùn)動(dòng)物體上，尤其適合近距復(fù)雜環(huán)境中對(duì)運(yùn)動(dòng)物體加速度的 測(cè)量。

　　1 系統(tǒng)組成和工作原理

　　系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)分為主、從機(jī)兩部分。從機(jī)負(fù)責(zé)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的加速度并通過(guò)射頻傳輸方式發(fā)射測(cè)量數(shù)據(jù)；主機(jī)負(fù)責(zé)接收從機(jī)發(fā)射的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)RS 232串口保存到PC機(jī)中以供分析。

　　系統(tǒng)采用電池供電，在非工作模式下處于待機(jī)模式，通過(guò)控制按鍵實(shí)現(xiàn)工作模式和待機(jī)模式的切換以進(jìn)一步節(jié)省功耗，保證電池長(zhǎng)時(shí)間工作。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)主要包括傳感器與微控器外圍連接電路設(shè)計(jì)、射頻收發(fā)器與微控器外圍連接電路設(shè)計(jì)等。

　　2．1 微控制器

　　經(jīng)對(duì)比選用高速C8051F310單片機(jī)作為系統(tǒng)的微控器。C8051F310是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的真正獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，片內(nèi)外設(shè)豐富。

　　2．2 LIS331DL傳感器電路設(shè)計(jì)

　　LIS331DL是ST納米運(yùn)動(dòng)傳感器家族中具有最小封裝（LGA16封裝，3 mm×3 mm×1 mm）、最低功耗（小于1 mW）的三軸線性加速度傳感器。

　 　邏輯框圖如圖2所示。LIS331DL內(nèi)部有按互相垂直關(guān)系放置的三個(gè)敏感質(zhì)量塊。當(dāng)有外界加速度作用時(shí)，敏感質(zhì)量塊會(huì)偏離其平衡位置一段位移，外界加 速度越大位移就越大。由于敏感質(zhì)量塊位于兩個(gè)電極組成的電容之間，質(zhì)量塊位移的變化會(huì)引起電容電極兩端電荷量的變化，電荷量的變化經(jīng)電容／電壓變換器轉(zhuǎn)化 為電壓的變化，A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字值，從I2C／SPI串行接口的三個(gè)輸出軸以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式輸出。該芯片能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體在三 維空間的線加速度，三個(gè)輸出軸上加速度的矢量和即為運(yùn)動(dòng)物體的加速度。

　　該芯片具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C／SPI串行總線接口，內(nèi)置嵌入式功能， 為用戶提供動(dòng)態(tài)可編程設(shè)置的兩個(gè)量程±2g／±8g以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，數(shù)據(jù)輸出速率可編程選擇為100 Hz／400 Hz以適應(yīng)不同外設(shè)的速率要求。當(dāng)外界加速度值超過(guò)三個(gè)輸出軸中至少一個(gè)軸的可編程加速度閾值時(shí)，芯片可被配置用以產(chǎn)生慣性喚醒／自由落體中斷信號(hào)。 LIS331DL能夠承受10 000g的加速度沖擊而依然保持性能不變。

　 　LIS331DL與C8051F310的電路連接如圖3所示。C8051F310內(nèi)部有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，通過(guò)交叉開關(guān)將 C8051F310（主機(jī)）的四線制SPI外部引腳配置在P0．0（總線時(shí)鐘SCK）、P0．1（主人從出MISO）、P0．2（主出從入）和 P0．3（從機(jī)SPI片選CS）這四個(gè)引腳上，LIS331DL作為SPI總線的從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)通過(guò)SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，總線時(shí)鐘由主機(jī)決定。從機(jī) 的兩個(gè)中斷標(biāo)志輸出引腳接到主機(jī)的 P0．6和P0．7，主機(jī)內(nèi)的交叉開關(guān)將兩個(gè)外部中斷標(biāo)志輸入引腳配置在P0．6和P0．7，它們連接到從機(jī)的兩個(gè)中斷標(biāo)志輸出9號(hào)和11號(hào)引腳，這樣可 以進(jìn)行LIS331DL功能的擴(kuò)展（自由落體中斷檢測(cè)，內(nèi)部喚醒等）。

　　2．3 nRF905單片機(jī)無(wú)線收發(fā)器電路設(shè)計(jì)

　 　本測(cè)量系統(tǒng)中采用nRF905射頻芯片作為射頻收發(fā)器。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而無(wú)需昂貴的高速M(fèi)CU來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理／時(shí)鐘覆蓋。通過(guò)將與 RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，nRF905提供給微控器一個(gè)SPI接口，速率由微控器設(shè)定的接口速率決定。nRF905通過(guò) ShockBurst工作模式在RF以最大速率進(jìn)行連接時(shí)降低數(shù)字應(yīng)用部分的速率來(lái)降低在應(yīng)用中的平均電流消耗。

　 　nRF905與C8051F310的電路連接如圖4所示。C8051F310的SPI同步串行口已作為與LIS331DL的通信接口，為充分利用 C8051F310的引腳資源，取C8051F310的P1．0，P1．1，P1．2和P1．3四個(gè)IO口組成一個(gè)模擬SPI串口與nRF905的 SPI口相連接，數(shù)據(jù)采用單字節(jié)逐次移位的方式進(jìn)行傳輸。

　　C8051F31O作為SPI主機(jī)，nRF905作為從機(jī)。主機(jī)在P1．0引 腳提供主機(jī)模擬SPI時(shí)鐘，P1．1引腳作為主機(jī)模擬MISO 線，P1．2引腳作為主機(jī)模擬MOSI線，P1．3引腳作為從機(jī)SPI片選線。主機(jī)通過(guò)此模擬SPI串行口在配置模式下對(duì)從機(jī)相關(guān)寄存器進(jìn)行配置；在RF 發(fā)射和接受模式下進(jìn)行發(fā)射數(shù)據(jù)的傳送和接收數(shù)據(jù)的讀取。nRF905的工作狀態(tài)接口由CD，AM和DR組成；工作模式控制引腳由PWR，TRX和TX組 成，C8051F310通過(guò)P1．4，P1．5和P1．6來(lái)設(shè)置nRF905的工作模式，具體模式設(shè)置如表1所示。

　 　進(jìn)入ShockBurst RX模式650μs后，nRF905不斷檢測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(cè)引腳CD被置高，當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，地址檢測(cè)引 腳AM被置高，當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后將DR引腳置高，通知MCU讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完畢DR 引腳置低。

　　當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，MCU按時(shí)序?qū)⒔邮諜C(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給nRF905，SPI接口速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí) 確定。進(jìn)入Shock Burst TX模式650us后，射頻寄存器自動(dòng)開啟，進(jìn)行數(shù)據(jù)打包（加字頭和CRC校驗(yàn)碼），發(fā)射數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)射完成，DR引腳置高通知MCU數(shù)據(jù)已成功發(fā) 送。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，由主程序和各任務(wù)子程序組成。系統(tǒng)上電后，C8051F310完成對(duì)自身、LIS331DL傳感器和射頻收發(fā)器nRF905的初始化設(shè)，根據(jù)鍵值電平高低來(lái)決定是否進(jìn)入工作狀態(tài)。

　 　在從機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，C8051F310通過(guò)SPI同步串行口讀取LIS331DL傳感器X，Y和Z軸寄存器的值，根據(jù)三個(gè)數(shù)值求出加速度值，然后將 該數(shù)值連同主機(jī)地址一起通過(guò)模擬SPI口傳給nRF905，由其自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送；主機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后不斷檢測(cè)有效載波，當(dāng)攜帶有效數(shù)據(jù)的載波出現(xiàn) 后，nRF905自動(dòng)完成去除數(shù)據(jù)包中的地址、CRC校驗(yàn)位和加速度數(shù)據(jù)的提取操作，此操作完成后通知C8051F310讀取數(shù)據(jù)直至數(shù)據(jù)讀取完 畢，C8051F310將數(shù)據(jù)先在LCD1602液晶顯示器中進(jìn)行顯示，然后通過(guò)RS232將數(shù)據(jù)保存到PC機(jī)，系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

　　4 系統(tǒng)調(diào)試

　 　在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試。試驗(yàn)方案為：從機(jī)固定在距旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心一定距離處，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速來(lái)獲得不同的法向加速度，從機(jī)對(duì)法向加速度進(jìn)行測(cè) 量，測(cè)量結(jié)果以射頻方式傳給主機(jī)進(jìn)行顯示和保存。該系統(tǒng)在試驗(yàn)中運(yùn)行可靠，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性高，由于采用數(shù)字式射頻傳輸方式使數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低。

　　5 結(jié)論

　　采用無(wú)線數(shù)字傳輸方式避免了傳輸導(dǎo)線的內(nèi)阻和雜散分布電容、環(huán)境溫度、電磁干擾等影響，尤其適合于復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)動(dòng)物體加速度的測(cè)量，這一特點(diǎn)是有線傳輸方式所無(wú)法比擬的。

基于硅MEMS技術(shù)的麥克風(fēng)簡(jiǎn)化音頻設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)駐極體電容器麥克風(fēng)（ECM）作為一種機(jī)電元件一直以來(lái)都用于數(shù)以十億計(jì)的手機(jī)、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備中。不過(guò)，過(guò)去50年 間，ECM始終沒有什么根本性變化，而且，由于存在大量的機(jī)械和環(huán)境噪聲問題，它在新型便攜式設(shè)備中的功能性受到限制，成為音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員、機(jī)械設(shè)計(jì)人 員以及制造商的關(guān)鍵“痛點(diǎn)”。

　　本文將描述設(shè)計(jì)人員和制造商如何能夠利用基于CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的下一代麥克風(fēng)來(lái)克服ECM的眾多相關(guān)問題。

　　麥克風(fēng)技術(shù)的演變：從ECM到硅晶技術(shù)

　 　傳統(tǒng)ECM是一個(gè)金屬罐，由一層可移動(dòng)的永久充電振膜和一塊與之平行的剛性背板以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）構(gòu)成，如圖1所示。聲波使振膜彎曲，改變振膜 和背板之間的氣隙間距，從而使振膜和背板之間的電容發(fā)生改變，這種改變以電壓變化的形式輸出，可反映出進(jìn)入聲波的頻率和幅度。

　　圖1所示為一典型的音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中，F(xiàn)ET的源極接地，漏極一般通過(guò)一個(gè)2.2k的電阻偏置。

　　圖1：駐極體電容器麥克風(fēng)（ECM）的橫截面簡(jiǎn)圖。

　 　需注意，ECM的振膜與FET的柵極相連接，如圖2所示。ECM的輸出通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電容被AC耦合到前置放大器。這一AC耦合電容提供了一個(gè)單極高通濾 波器（HPF），有助于過(guò)濾掉可能使模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)一步飽和的有害低頻成份。盡管ECM的輸出是單端的，為獲得最佳噪聲性能，設(shè)計(jì)人員通常通過(guò)從 ECM附近的未用前置放大器輸入各產(chǎn)生一路線跡，并使兩路線跡保持平衡，再使用一個(gè)差分輸入放大器，消除了兩路線跡中的共模板級(jí)噪聲源。

　　圖2：采用ECM和集成式FET的音頻系統(tǒng)的典型示意圖。

　　麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)：減少噪聲

　　頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的主要挑戰(zhàn)是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使總體噪聲最低。ECM的噪聲由若干來(lái)源決定：偏置電壓波動(dòng)引起的電子噪聲，F(xiàn)ET噪聲，板級(jí)噪聲，振膜的聲音自噪聲，以及被耦合到FET的高阻抗輸入的外部電磁（EM）場(chǎng)和射頻（RF）場(chǎng)。

　　當(dāng)安置有ECM的系統(tǒng)靠近帶有功率控制的射頻發(fā)射器時(shí)，功率控制產(chǎn)生的RF信號(hào)的音頻成份可通過(guò)麥克風(fēng)解調(diào)，轉(zhuǎn)換為可聞?dòng)谝纛l路徑的聲音信號(hào)。低功率的便攜式設(shè)備一般使用功率門限（powergating）技術(shù)，不在使用中時(shí)就關(guān)斷RF。這種門限在音頻下出現(xiàn)。

　 　在ECM中，由FET的高阻抗柵極來(lái)調(diào)校發(fā)射功率放大器的門限（在音頻頻段內(nèi)出現(xiàn)），并放大信號(hào)。一旦信號(hào)進(jìn)入音頻頻段，就很難消除。當(dāng)音頻信號(hào)產(chǎn)生可 聽見的干擾（一般稱為擊穿噪聲）時(shí)，RF功率放大器的功率門限開啟。減少ECM擊穿噪聲最有效的方法是把柵極引線長(zhǎng)度減至最短，并用一個(gè)電容來(lái)濾除手機(jī)、 筆記本電腦等配備有Wi-Fi功能的無(wú)線系統(tǒng)中出現(xiàn)的RF干擾。這一電容應(yīng)該加在FET的漏極上，并最好位于麥克風(fēng)罐內(nèi)部。該電容容值根據(jù)干擾場(chǎng)的載波頻 率和電容的最佳衰減頻率來(lái)選擇。電容的衰減頻率可從制造商提供的規(guī)格手冊(cè)中查到。

　　音頻系統(tǒng)中另一個(gè)最常見的噪聲源是電源（偏置電壓）波 動(dòng)。ECM是低敏感度的麥克風(fēng)，輸出10mVrms數(shù)量級(jí)的很小的模擬信號(hào)。由于ECM沒有任何電源抑制（PSR）能力，電源很小的波動(dòng)就能引起用戶能聽 到小輸出信號(hào)波動(dòng)。因此，為了維持最佳信噪比，應(yīng)該采用額外的濾波元件來(lái)保持麥克風(fēng)偏置電源的“干凈”。

　　在音頻系統(tǒng)中使用ECM還帶來(lái) 了許多機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面的挑戰(zhàn)。首先也是最重要的，雖然ECM一直在不斷縮小，但它已達(dá)到其尺寸極限，再進(jìn)一步變小，就得付出敏感性、頻率響應(yīng)及噪聲等 性能降低的代價(jià)。目前，便攜式電子設(shè)備中所用ECM的標(biāo)準(zhǔn)尺寸范圍為直徑4～6mm，高度1.0～2.0mm。

　　另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是ECM不僅 能夠檢測(cè)聲音信號(hào)，還能檢測(cè)出機(jī)械振動(dòng)，并最終把振動(dòng)轉(zhuǎn)換為低頻聲音信號(hào)。當(dāng)ECM被置于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，比如安裝在電風(fēng)扇或大型喇叭附近的電路板上，音頻系 統(tǒng)的主要噪聲源將是振動(dòng)。減少麥克風(fēng)處振動(dòng)的唯一方法是，在把麥克風(fēng)安裝在電路板上時(shí)，采用額外的機(jī)械隔離材料。

　　此外，不論是制作 ECM振膜和背板的材料，還是ECM的永久振膜充電，在表面安裝必需的高溫下，性能都會(huì)顯著下降。因此，在麥克風(fēng)和電路板之間必須使用某種形式的電子互連 （插座或彈性壓縮式連接器），從而使本已很大的元件總體高度更大（與目前許多便攜式電子設(shè)備的纖薄外形相比）。最后，因?yàn)镋CM不能進(jìn)行表面安裝，而需手 工組裝，故與能夠采用自動(dòng)分撿（pickandplace）組裝工藝，能被焊接到電路板上的元件相比，它的組裝成本更高，可靠性更低。

　　 Akustica公司正在利用稱為CMOSMEMS的最新型MEMS技術(shù)開發(fā)新一代的單芯片硅晶麥克風(fēng)。不同于其它硅晶麥克風(fēng)需要至少兩塊硅芯片，一塊用 作硅晶麥克風(fēng)換能器單元，另一塊用作集成電路（IC），CMOSMEMS麥克風(fēng)是單塊式集成電路，其中MEMS換能器單元由標(biāo)準(zhǔn)CMOS晶圓中的金屬介電 質(zhì)結(jié)構(gòu)形成。由于CMOSMEMS麥克風(fēng)是采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝和目前用來(lái)制造集成電路的設(shè)備制作的，故該器件可以在全球任何一家CMOS晶圓廠生 產(chǎn)。CMOSMEMS器件的制造已在九家不同的晶圓廠，經(jīng)從0.6微米三層金屬工藝到0.18微米銅互連工藝的11種不同CMOS技術(shù)得到驗(yàn)證。結(jié)果證明 這項(xiàng)技術(shù)具有半導(dǎo)體制造的高良率和可重復(fù)性，能夠以極高批量大規(guī)模生產(chǎn)。

　　在CMOSMEMS平臺(tái)上開發(fā)的單塊集成電路硅晶麥克風(fēng)解決方 案使消費(fèi)電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員和制造商得以避免眾多ECM相關(guān)問題。圖3是一個(gè)單芯片硅晶麥克風(fēng)的俯視圖和橫截面圖。這一單塊芯片由MEM換能器 （transducer）和阻抗匹配線路組成，它也是一個(gè)帶有可移動(dòng)振膜和剛性背板的電容性傳感器。

　　圖3:CMOSMEMS麥克風(fēng)芯片的俯視圖（a）和橫截面圖（b）。

　 　圖4所示為一個(gè)采用了CMOSMEMS模擬麥克風(fēng)的典型音頻系統(tǒng)。鑒于CMOSMEMS麥克風(fēng)更類似于模擬IC而非ECM，它也采用類似于IC的供電分 式，直接連接到電源。電源輸入和系統(tǒng)其余部分之間的片上隔離為元件增加了PSR，使CMOSMEMS麥克風(fēng)本質(zhì)上比ECM具有更強(qiáng)的抗電源噪聲能力，并不 再需要額外的濾波線路來(lái)保持電源線的“干凈”。

　　圖4：采用CMOSMEMS麥克風(fēng)的典型音頻系統(tǒng)示意圖。

　 　當(dāng)在微米級(jí)的聲學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)制作電子線路時(shí)，線跡長(zhǎng)度很短，能夠提高減少擊穿噪聲的能力。不同于ECM中的FET，在CMOSMEMS麥克風(fēng)中，由于是片上 放大級(jí)，隔膜和前置放大器的間距極短，輸入輸出隔離更好。因?yàn)橛须娫春洼敵鲂盘?hào)隔離更好，加上隔膜到前置放大器的距離更短，幾乎沒有可能會(huì)把電磁場(chǎng)耦合到 麥克風(fēng)里。

　　CMOSMEMS麥克風(fēng)還解決了使用ECM所遇到的許多機(jī)械設(shè)計(jì)和制造方面的挑戰(zhàn)。首先，CMOSMEMS麥克風(fēng)單塊集成電 路的特性使其占位面積和高度比傳統(tǒng)ECM尺寸的一半還要小。其次，CMOSMEMS麥克風(fēng)振膜的尺寸和質(zhì)量都很小，較之直徑4-6mm的ECM振膜，其直 徑小于0.5mm，提高了抗振動(dòng)性。第三，由于CMOSMEMS麥克風(fēng)是采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS材料和工藝制作的，它們本質(zhì)上就能夠耐受表面安裝時(shí)所需的高溫環(huán) 境。無(wú)需機(jī)械互連又使這種麥克風(fēng)系統(tǒng)的總體高度顯著降低。最后，CMOS硅晶麥克風(fēng)具有表面安裝和分撿兼容性，不再需要進(jìn)行手工組裝，故而降低了成本，并 提高了可靠性、生產(chǎn)能力和良率。

　　CMOSMEMS麥克風(fēng)還能夠在芯片上集成一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，形成一個(gè)具有強(qiáng)健數(shù)字輸出的麥克風(fēng)。由于大 多數(shù)便攜式應(yīng)用最終都會(huì)把麥克風(fēng)的模擬輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)處理，因此系統(tǒng)架構(gòu)可以設(shè)計(jì)成完全數(shù)字式的，這樣一來(lái)，就從電路板上去掉了很容易產(chǎn)生噪聲的模 擬信號(hào)，并簡(jiǎn)化了總體設(shè)計(jì)。

　　使用數(shù)字CMOSMEMS麥克風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)在麥克風(fēng)和CODEC之間需要很長(zhǎng)電纜的應(yīng)用中最為顯著，比如筆記本 電腦平臺(tái)，為達(dá)最佳聲效，一般麥克風(fēng)被安裝在顯示器中，而CODEC則安裝在電腦主體的母板上。在這種情形下，有許多電纜線和電子噪聲源會(huì)對(duì)筆記本電腦顯 示器周圍的小模擬聲音信號(hào)產(chǎn)生干擾，故需要屏蔽布線（shieldedcabling）和其它過(guò)濾元件來(lái)將干擾減至最小。然而，若使用數(shù)字 CMOSMEMS麥克風(fēng)，則無(wú)需屏蔽布線或過(guò)濾元件，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減少了總體元件數(shù)目，降低了材料清單（BOM）成本。

　　本文小結(jié)

　　在為當(dāng)前的下一代便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)音頻系統(tǒng)時(shí)，CMOSMEMS麥克風(fēng)能夠解決使用ECM所無(wú)法解決的許多困難。表1總結(jié)了ECM麥克風(fēng)和CMOSMEMS麥克風(fēng)之間的不同之處，便于系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)人員以及制造商更好地利用CMOSMEMS麥克風(fēng)。

　　表1:ECM麥克風(fēng)和CMOSMEMS麥克風(fēng)的主要特性比較。

　 　利用Akustica公司的專利CMOSMEMS技術(shù)，可以把振膜與強(qiáng)有力的模數(shù)信號(hào)處理功能集成在單塊芯片中，從而實(shí)現(xiàn)可用于未來(lái)的便攜式電子設(shè)備的 下一代麥克風(fēng)。CMOSMEMS麥克風(fēng)提供的這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性和生產(chǎn)效率將使手機(jī)、PC機(jī)、PDA和無(wú)數(shù)其它消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員及制造商能夠制造出更強(qiáng) 勁、功能更豐富、成本更低的產(chǎn)品，更好地為市場(chǎng)服務(wù)。

MEMS加速度傳感器在胎兒心率檢測(cè)儀中的應(yīng)用

　　一、概述

　　目前國(guó)際上已把婦幼保健指標(biāo)作為衡量社會(huì)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的敏感指標(biāo)。我 國(guó)規(guī)定的體現(xiàn)小康水平的健康指標(biāo)、人均期望壽命、嬰兒死亡率、孕產(chǎn)婦死亡率等指標(biāo)都大部分需要通過(guò)婦幼保健來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在醫(yī)院常規(guī)的產(chǎn)前檢查包括測(cè)胎心、胎 位、量血壓、稱體重、測(cè)腹圍和宮底高度等。其中檢測(cè)胎兒心率是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽診器甚 至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計(jì)數(shù)很難測(cè)量準(zhǔn)確。而具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀，價(jià)格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣 大的農(nóng)村地區(qū)無(wú)法普及。此外，超聲振動(dòng)波作用于胎兒，會(huì)對(duì)胎兒產(chǎn)生很大的不利作用 盡管檢測(cè)劑量很低，也屬于有損探測(cè)范疇，不適于經(jīng)常性、重復(fù)性的檢查及家庭使用。

　　本項(xiàng)目基于VTI公司的SCA600C13H1G型MEMS加速度傳感器，提出一種無(wú)創(chuàng)胎心檢測(cè)方法，研制出一種簡(jiǎn)單易學(xué)、直觀準(zhǔn)確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護(hù)儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。

　　二、 SCA600C13H1G

　 　SCA600C13H1G硅電容式加速度傳感器是由單晶硅和玻璃制成。這種設(shè)計(jì)能夠保證，隨著時(shí)問和溫度的變化，產(chǎn)品具有很好的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定 性。它的電容檢測(cè)原理簡(jiǎn)單而且可靠，是基于兩個(gè)平行板間距的變化來(lái)測(cè)量的。一對(duì)平行板間的電容和電荷存儲(chǔ)量取決于平行板間的間距和板面積。 產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)降低了封裝要求。微粒或化學(xué)物質(zhì)不能進(jìn)入傳感器內(nèi)，從而保證了產(chǎn)品的可靠性。 產(chǎn)品的雙電容器結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性設(shè)計(jì)改善了產(chǎn)品的零點(diǎn)穩(wěn)定性、線性度和橫向靈敏度。通常，溫度系數(shù)小于0．05FS／~C，橫向靈敏度小于3％。這種新型傳感 器有如下特點(diǎn)；緊湊的結(jié)構(gòu)，低功耗，可靠性好，性能優(yōu)異。

　　VTI的加速度傳感器是基于已經(jīng)得到證明的3D MEMS技術(shù)制作的。三維微電子機(jī)械系統(tǒng)（3D-MEMS ），是各種技術(shù)的創(chuàng)新性組合，可以將硅加工成三維結(jié)構(gòu)，其封裝和觸點(diǎn)便于安裝和裝配，用這種技術(shù)制作的傳感器具有極好的精度、極小的尺寸和極低的功耗。一 個(gè)高級(jí)的傳感器僅由一小片硅就能制作出來(lái)，并能測(cè)量三個(gè)互相垂直方向的加速度。

　　三、系統(tǒng)工作原理與組成

　 　本傳感器系統(tǒng)的工作原理如圖1所示 通過(guò)加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號(hào)處理，用A／D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信 號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過(guò)光隔離器件輸入到8051單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。

　　1、前置放大電路

　　前置放大器主要考慮噪聲、輸入阻抗和共模抑制比這三項(xiàng)的影響。

　　2、信號(hào)處理電路

　 　母體中胎兒心率信號(hào)是屬于強(qiáng)噪聲干擾下的低頻微弱信號(hào)，由于其非常微弱，只有微伏級(jí)，同時(shí)干擾又很大，因此有效信號(hào)往往會(huì)被淹沒。干擾信號(hào)一般包括高頻 的電磁干擾、50Hz工頻干擾以及母體中的其它干擾源等。工頻干擾主要以共模信號(hào)的形式存在，通常幅值可達(dá)幾伏。母體中的干擾信號(hào)和胎兒心率信號(hào)的頻率也 不相重疊。能夠根據(jù)胎兒心率信號(hào)主要集中在7OHz～l10Hz范圍之內(nèi)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)性強(qiáng)、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠的胎兒心率信號(hào)處理電路，如圖2 所示。

　 　中間信號(hào)處理電路分為帶通選頻電路、二級(jí)放大電路、50Hz陷波器和增益調(diào)節(jié)電路四部分。帶通選頻電路用狀態(tài)變量濾波器作為帶通濾波器，通帶的最大范圍 設(shè)定為50Hz；--“140Hz如圖3所示。這種濾波器有三個(gè)好處：適當(dāng)選擇元件數(shù)值。可使品質(zhì)因數(shù)Q和中心頻率無(wú)關(guān)； 和Q對(duì)元件參數(shù)很不靈敏；Q只可以很高（可和高Q值有源帶通濾波器相媲美）。

　　二級(jí)放大電路在結(jié)構(gòu)上和增益調(diào)節(jié)電路類似。都是由運(yùn)放接成電壓負(fù)反饋的形式。前者進(jìn)行信號(hào)的放大，而后者控制整體電路的增益，最大可達(dá)120dB。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。運(yùn)用電壓串聯(lián)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有如下不可替代的優(yōu)越的性能：

　　（1）輸入等效阻抗， j=（1 ，輸出等效阻抗小，Ro=Rod（I+AF），其中， fd運(yùn)放的輸入阻抗， 為輸出阻抗。不僅完成了信號(hào)的放大作用，而且還起到了緩沖器的作用。有效地隔離了前后級(jí)的模塊，不用額外增加阻抗變換器和匹配模塊；

　　（2）電容C53的使用使整個(gè)模塊具有了低通的功能，不僅可以去除信號(hào)中的高頻干擾，還由于其超前補(bǔ)償作用，對(duì)有效信號(hào)中的高頻部分進(jìn)行了相位補(bǔ)償。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，電路頻率段的相位將變化平緩。

　　圖5所示為50Hz工頻陷波器采用典型的有源雙T陷。

　　3、A／D轉(zhuǎn)換和光電耦合電路

　　傳感器出來(lái)的信號(hào)是模擬電壓信號(hào)。需要經(jīng)過(guò)A／D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，才能送到805l單片進(jìn)行處理 為了保證安全以及防止模擬和數(shù)字電路之間的干擾，光電隔離電路也是一個(gè)必不可少的模塊。如圖6所示。

　　4、MCU信號(hào)處理

　　MCU對(duì)信號(hào)的處理主要是對(duì)從A／D 轉(zhuǎn)換器傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和計(jì)算胎兒心率值。設(shè)計(jì)一個(gè)基于小波變換的自適應(yīng)濾波器，能夠更好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從中提取我們需要的信號(hào)。

　　MCU采用atmel公司的AT89C205l，與液晶顯示器的連接電路如圖7所示。

　 　該單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計(jì)。由先進(jìn)CMOS工藝制造并帶有非易失性Flash程序存儲(chǔ)器。全部支持l2時(shí)鐘和6時(shí)鐘操作。 AT89e205包含128字節(jié)RAM、16條I／O口線、2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、5輸入2優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)、1個(gè)串行I／O 口可用于多機(jī)通信I／O擴(kuò)展或全雙工UART以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。

　　此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍（頻 率可降至0）。可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式—— 空閑模式和掉電模式。空閑模式凍結(jié)CPU，但RAM、定時(shí)器、串口和中斷系統(tǒng)仍然工作。掉電模式保存RAM 的內(nèi)容，但是凍結(jié)振蕩器，導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的，時(shí)鐘可停止而不會(huì)丟失用戶數(shù)據(jù)。運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù)。

　　5、顯示電路

　 　設(shè)計(jì)使用的是YLF12232F液晶顯示器。YLF12232F是一種內(nèi)置8192個(gè)16”16點(diǎn)漢字庫(kù)和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集圖形點(diǎn)陣 液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器／列驅(qū)動(dòng)器及128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示7．5×2個(gè)（16×16點(diǎn)陣）漢字與外部 CPU接口采用串行方式控制的一款胎心監(jiān)護(hù)儀器。

　　圖8是采用新型MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　 　基于MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)的胎兒心率檢測(cè)儀。對(duì)這類儀器而言，最重要的就是如何出去干擾和噪聲。從中提取我們需要的信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展，儀器也越 來(lái)越小型化、便攜化。并且在適當(dāng)改進(jìn)后能夠以此為終端，做一個(gè)遠(yuǎn)程胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。它是把目前的常規(guī)胎心監(jiān)護(hù)和計(jì)算機(jī)， 電話通訊相結(jié)合，運(yùn)用上述胎心檢測(cè)儀，電話機(jī)和醫(yī)院的中央信號(hào)采集分析監(jiān)護(hù)主機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)。醫(yī)院端的中央信號(hào)采集分析監(jiān)護(hù)主機(jī)給出自動(dòng)分析結(jié)果，醫(yī)生對(duì)該結(jié) 果進(jìn)行診斷，如果有問題及時(shí)通知孕婦到醫(yī)院來(lái)。該技術(shù)有利于孕婦隨時(shí)檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。

飛思卡爾基于MEMS的傳感器技術(shù)

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是飛思卡爾應(yīng)用于加速度和壓力傳感器的技術(shù)。基于MEMS的傳感器產(chǎn)品有一個(gè)接口，通過(guò)該接口可以感應(yīng)、處理和/或控制周圍環(huán)境。

　　飛思卡爾基于MEMS的這一類傳感器器件將非常小的機(jī)電組件集成在單個(gè)芯片上。基于MEMS的傳感器是汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、硬盤驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)外設(shè)、無(wú)線設(shè)備及手機(jī)、PDA等智能便攜式電子設(shè)備的重要組件。

　　MEMS的優(yōu)點(diǎn)：低成本、低功耗、小型化、高性能、集成

　　飛思卡爾的領(lǐng)先地位

　　近30年來(lái)，飛思卡爾半導(dǎo)體不斷開發(fā)各種基于MEMS的傳感器。用于生產(chǎn)傳感器的工藝技術(shù)大體上分為兩類：立體微加工和表面微加工。我們公司生產(chǎn)加速度傳感器和壓力傳感器。飛思卡爾是大規(guī)模量產(chǎn)基于MEMS傳感器的制造商。

　　應(yīng)用

　 　基于MEMS的傳感器是汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、手機(jī)、PDA等智能便攜式電子器件，以及硬盤驅(qū)動(dòng)器?、計(jì)算機(jī)外設(shè)和無(wú)線設(shè)備的重要組件。汽車工業(yè)已開始將 這些傳感器專用于安全氣囊系統(tǒng)碰撞檢測(cè)。從上世紀(jì)90年代到今天，采用MEMS技術(shù)的安全氣囊傳感器市場(chǎng)取得了極大的成功。現(xiàn)在，從噴墨打印機(jī)到手機(jī)，基 于MEMS的傳感器已廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備。目前，各主要市場(chǎng)都在采用這一技術(shù)。

　　HARMEMS技術(shù)

　 　飛思卡爾新一代高寬比微機(jī)電系統(tǒng)（HARMEMS）技術(shù)是適合安全氣囊傳感應(yīng)用的成熟技術(shù)。加速度傳感器采用先進(jìn)的傳感設(shè)計(jì)，改進(jìn)傳感器的偏移性能。 HARMEMS技術(shù)具有過(guò)阻尼機(jī)械響應(yīng)和出色的信噪比，可滿足客戶的要求。由于安全氣囊主ECU系統(tǒng)安裝在汽車駕駛室中，過(guò)阻尼HARMEMS技術(shù)對(duì)高 頻、高振幅寄生振動(dòng)?具有耐受能力。HARMEMS技術(shù)已引入到電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC）中采用的雙軸加速度傳感器中，以測(cè)量汽車橫向加速度。

　　MEMS表面微加工

　 　在表面微加工過(guò)程中，MEMS傳感器采用沉積薄膜材料在晶圓表面上成形。這些沉積材料包含傳感器成形過(guò)程中使用的結(jié)構(gòu)材料和界定結(jié)構(gòu)層之間的間隙所用的 襯層材料。許多表面微加工傳感器采用電容轉(zhuǎn)換法，將輸入機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為等效電子信號(hào)。通過(guò)電容轉(zhuǎn)換法，傳感器可視為一個(gè)機(jī)械式電容，其中一個(gè)平板在物理驅(qū) 動(dòng)力作用下產(chǎn)生移動(dòng)。這種移動(dòng)會(huì)改變兩個(gè)電極之間的間隙，電容隨之變化。電容的這種變化是與輸入的機(jī)械動(dòng)力等效的電子量。

　　MEMS體型微加工

　 　體型微加工過(guò)程中，單晶硅通過(guò)蝕刻形成三維的MEMS器件。這是一種侵蝕式工藝，采用各向異性化學(xué)腐蝕方法去除晶圓中的硅。這種體型微加工方法可用來(lái)大 規(guī)模量產(chǎn)各種傳感器，如壓阻式壓力傳感器。最簡(jiǎn)單的加工方法是有選擇地蝕刻特定部分的硅片，讓這些區(qū)域只剩下一層隔膜。在絕對(duì)壓力傳感器中，硅晶圓與另一 晶圓結(jié)合（芯片或硅玻璃），在隔膜下形成一個(gè)真空密封腔。隔膜在壓力作用下發(fā)生彎曲。壓敏電阻效應(yīng)是廣泛采用的一種能量轉(zhuǎn)換機(jī)制。在壓敏電阻材料中，應(yīng)力 的變化產(chǎn)生張力，從而引起電阻產(chǎn)生相應(yīng)的變化。當(dāng)在隔膜最大應(yīng)力點(diǎn)上植入壓敏電阻時(shí)，壓力作用下產(chǎn)生的變形引起電阻變化。一般情況下，可將壓敏電阻組成橋 接網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)端子之間應(yīng)用的電壓產(chǎn)生的輸出電壓可在另外兩個(gè)端子?之間進(jìn)行測(cè)量。

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