微机械阵列滤波传声器的动态特性

    在传统的噪声检测仪器中,主要有传声器和声级计,而声电转换一般由传声器完成。传声器是将声能转化成电能的微型换能器件,根据不同的工作原理,目前正在研制的微传声器主要分为压电式、压阻式和电容式等几种。在这些传声器[1-2]中,传感单元只有一个,只能实现简单的信号转换。下面介绍这几种传声器的原理及特性。

    1)电容传声器

    第一只具有小于1 mm2膜片面积的超小型传声器是电容式硅换能器[3-4]。由背电极芯片和膜片芯片构成,相互粘在一起,有一个2Lm的气隙把背极板与膜片分开。这样,膜片偏移在薄的气隙中形成气流,而引起极距的变化,将声信号转换成电容输出。这种传声器在高频造成灵敏度的损失。

    2)压电传声器

    在这种传声器[5]中,是把2.5~3.0Lm厚的PVDF或者P(VDF-TrFE)层旋转涂敷到0.2Lm硅膜片上,或者采用另外一种方法,把一层0.25~1.00Lm厚的芳香族化合物聚脲脂蒸发到膜片上,把声信息转换成电荷量输出,能够获得60 dB(A计权)的等效噪声级。在新的传声器中,其指标已改善到了55 dB(A计权)。这种传声器传感单元只有一个,只能进行声电转换。

    3)一般压阻传声器

    它由四个位于1Lm厚的1 mm@1 mm膜片上的多晶硅电阻器构成。4个电阻组成惠斯登电桥,由于声压的作用产生压阻效应,将声信号转换成电阻输出。优点:便于集成,缺点:没有利用集成形成阵列。

    从上述各种传声器可以看出:传统的传声器主要起声电转换的作用,对噪声信号的滤波处理是由专用滤波电路完成,或者用数字滤波进行处理,这里提出一种硅微阵列滤波传声器,在转换信号的同时实现滤波。

    1 阵列滤波传声器原理

    硅微机械滤波传声器传感单元结构采用带质量块的悬臂梁结构(如图1),可以简化为一维振动系统。

   在输入amsinXt作用下,系统的稳态响应为:

    式中:为固有频率;K为刚度;m为质量块的质量;c为阻尼系数;为阻尼比;z(t)为质量块在垂直于梁的方向振动。频谱曲线如图2所示。

    一般的传感器工作在非共振区的线性段,但在频谱特性曲线中,还有一段频带值得深入分析,即传感器固有频率附近的b段。其特征是:

    1)信号灵敏度高;

    2)当传感器阻尼较小时,具有优良的滤波特性;

    3)频带较a段窄得多。

    如果能在频谱分析系统中利用b段(如图3),就可以利用传感器的机械滤波特性,在获取信号的同时实现滤波。

    为了弥补频响范围的不足,采用传感阵列技术,对传感单元的幅频特性曲线进行拼合,以达到拓宽频带的目的。其频带取决于阵列传感单元的频带和传感单元的数量。硅微阵列滤波传声器就是在一个传感器内封装多个传感单元(如图4)。