【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子和航空航天等嚴(yán)苛應(yīng)用場(chǎng)景中，MEMS加速度計(jì)面臨著持續(xù)振動(dòng)與瞬時(shí)沖擊的雙重考驗(yàn)。深入辨析傳感器的抗沖擊能力與耐振動(dòng)特性，成為確保設(shè)備在惡劣機(jī)械環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文將系統(tǒng)解析兩種機(jī)械應(yīng)力對(duì)傳感器性能的影響機(jī)制，從失效分析、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)到穩(wěn)健性設(shè)計(jì)策略進(jìn)行全面探討，并結(jié)合ADI公司先進(jìn)傳感器產(chǎn)品的實(shí)際案例，闡釋機(jī)械余量?jī)?yōu)化與阻尼特性設(shè)計(jì)如何提升產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)量精度，以及科學(xué)的沖擊測(cè)試方法如何驗(yàn)證設(shè)備的抗損毀極限。掌握這些關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，將為高可靠性應(yīng)用中的傳感器選型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。
摘要
在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化、汽車電子和航空航天等嚴(yán)苛應(yīng)用場(chǎng)景中，MEMS加速度計(jì)面臨著持續(xù)振動(dòng)與瞬時(shí)沖擊的雙重考驗(yàn)。深入辨析傳感器的抗沖擊能力與耐振動(dòng)特性，成為確保設(shè)備在惡劣機(jī)械環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。本文將系統(tǒng)解析兩種機(jī)械應(yīng)力對(duì)傳感器性能的影響機(jī)制，從失效分析、測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)到穩(wěn)健性設(shè)計(jì)策略進(jìn)行全面探討，并結(jié)合ADI公司先進(jìn)傳感器產(chǎn)品的實(shí)際案例，闡釋機(jī)械余量?jī)?yōu)化與阻尼特性設(shè)計(jì)如何提升產(chǎn)品在振動(dòng)環(huán)境下的測(cè)量精度，以及科學(xué)的沖擊測(cè)試方法如何驗(yàn)證設(shè)備的抗損毀極限。掌握這些關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，將為高可靠性應(yīng)用中的傳感器選型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。
引言
基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)，如今在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛；這類環(huán)境不僅存在機(jī)械應(yīng)力，且應(yīng)力持續(xù)作用。加速度計(jì)數(shù)據(jù)手冊(cè)中常標(biāo)注兩項(xiàng)核心指標(biāo)：抗沖擊能力與耐振動(dòng)性。盡管二者看似相似，但設(shè)計(jì)目的與測(cè)試方式卻截然不同。理解兩者間的差異，是為特定應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適傳感器的關(guān)鍵。
抗沖擊能力：應(yīng)對(duì)突發(fā)應(yīng)力
抗沖擊能力指加速度計(jì)承受非重復(fù)性、高幅值加速度事件的能力。這類事件通常發(fā)生在元件（集成電路，IC）的搬運(yùn)、裝配過(guò)程中，或設(shè)備意外跌落時(shí)。
? 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：IEC 60068-2-27。
? 測(cè)試方法：向傳感器的所有軸向施加特定幅值與持續(xù)時(shí)間的半正弦波脈沖。
? 測(cè)試目的：確保傳感器在遭受偶發(fā)但極端的沖擊后，仍能保持正常功能。
? 失效機(jī)制：通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重失效，例如MEMS結(jié)構(gòu)中的懸臂梁斷裂，但也可能引發(fā)系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題，如內(nèi)部焊線脫落或芯片開(kāi)裂。
耐振動(dòng)性：應(yīng)對(duì)日常應(yīng)力
與之相反，耐振動(dòng)性衡量的是傳感器在持續(xù)或重復(fù)性振動(dòng)環(huán)境下保持可靠運(yùn)行的能力；這類環(huán)境在眾多工業(yè)與交通運(yùn)輸應(yīng)用中屢見(jiàn)不鮮。
? 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：通常為MIL-STD-883 Method 2007（或制造商自行定義的標(biāo)準(zhǔn)）。
? 測(cè)試方法：在規(guī)定的幅值與頻率范圍內(nèi)施加持續(xù)隨機(jī)振動(dòng)。
? 測(cè)試目的：驗(yàn)證傳感器 在工作狀態(tài)下的振動(dòng)環(huán)境中具備長(zhǎng)期可靠性。
? 失效機(jī)制：常因防護(hù)結(jié)構(gòu)磨損，導(dǎo)致粘連或顆粒污染問(wèn)題。
為何需要區(qū)分二者
沖擊與振動(dòng)對(duì)傳感器造成的應(yīng)力作用存在本質(zhì)差異。一款抗沖擊能力達(dá)數(shù)千g的傳感器，可能在數(shù)百g的持續(xù)振動(dòng)下失效。這種區(qū)分對(duì)于確保傳感器的抗損毀能力與性能至關(guān)重要。抗沖擊能力針對(duì)的是可能導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)失效的非重復(fù)性極高幅值沖擊，而耐振動(dòng)性針對(duì)的是長(zhǎng)期可靠性。
1 “g”指重力加速度（9.81m/s2）。
圖1.(a)MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。(b)其中一個(gè)限位器的放大圖。限位器可在高沖擊事件下保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)。
MEMS傳感器的設(shè)計(jì)對(duì)沖擊與振動(dòng)這兩項(xiàng)指標(biāo)的耐受能力起著決定性作用。例如，機(jī)械限位器與防粘連涂層材料是設(shè)計(jì)中用于保護(hù)MEMS結(jié)構(gòu)完整性的部分措施。防粘連涂層可產(chǎn)生低表面能量和/或電絕緣性，而機(jī)械限位器能防止檢測(cè)質(zhì)量塊與固定指組完全接觸。圖1展示了MEMS加速度計(jì)的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。機(jī)械限位器通常設(shè)有4μm至5μm寬的鋸齒狀凸起（小凸點(diǎn)），可在高沖擊事件下減小接觸面積，從而有助于避免粘連問(wèn)題。
以推土機(jī)等重型機(jī)械為例，其需使用加速度計(jì)作為傾角傳感器，以確保在不平坦地形上正常作業(yè)或?qū)崿F(xiàn)地形平整。在此類應(yīng)用中，加速度計(jì)可能會(huì)承受峰值幅值達(dá)數(shù)十g（甚至超過(guò)100g）的持續(xù)隨機(jī)振動(dòng)，且需具備高傾斜精度、高溫穩(wěn)定性與可重復(fù)性。
從性能角度來(lái)看，ADXL357B這類加速度計(jì)是理想之選。盡管其滿量程范圍限定為±40g，但它能夠承受更大的振動(dòng)。振動(dòng)安全區(qū)在很大程度上取決于傳感器的機(jī)械設(shè)計(jì)，包括諧振頻率、阻尼特性及觸發(fā)機(jī)械限位器所需的加速度輸入（稱為機(jī)械余量）。為說(shuō)明振動(dòng)安全區(qū)，我們可分析機(jī)械余量與頻率的關(guān)系，如圖2所示。
圖2.ADXL357B機(jī)械余量與頻率的關(guān)系。諧振點(diǎn)附近的機(jī)械余量會(huì)降低，凸顯了阻尼在傳感器設(shè)計(jì)中的重要性。根據(jù)MIL-STD-883 Method 2007測(cè)試條件C的規(guī)范，ADXL357B的額定指標(biāo)為：可承受頻率范圍0Hz至2kHz、峰值幅值70g的持續(xù)隨機(jī)振動(dòng)。
這有助于工程師了解檢測(cè)質(zhì)量塊接觸限位器前的余量大小，并了解傳感器諧振頻率與品質(zhì)因數(shù)在其中所起的作用。當(dāng)輸入振動(dòng)被品質(zhì)因數(shù)機(jī)械放大時(shí)，振動(dòng)頻率越接近傳感器諧振頻率，機(jī)械余量就會(huì)有效降低。
電氣帶寬與機(jī)械極限
加速度計(jì)的內(nèi)置信號(hào)鏈通常配備模擬濾波器與數(shù)字濾波器，而像ADXL380這樣的新型傳感器，甚至還搭載了數(shù)字均衡濾波器，可有效將帶寬平坦度擴(kuò)展至4kHz。這一特性在路噪降噪(RNC)等應(yīng)用中十分實(shí)用；此類場(chǎng)景下，要生成有效的抗噪聲信號(hào)，精準(zhǔn)檢測(cè)寬頻振動(dòng)必不可少。但需注意，電氣濾波或均衡處理無(wú)法消除MEMS結(jié)構(gòu)受到的物理激勵(lì)。傳感器仍會(huì)承受機(jī)械應(yīng)力，若運(yùn)行時(shí)超出傳感器的機(jī)械余量，可能導(dǎo)致粘連、疲勞或結(jié)構(gòu)劣化。因此，即使電氣輸出在擴(kuò)展帶寬范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性特性，設(shè)計(jì)人員也必須確保振動(dòng)幅值處于安全的機(jī)械極限之內(nèi)。
沖擊與傳感器滿量程范圍
值得注意的是，ADXL357B（±40g量程）與ADXL380（最高±16g量程），其抗損毀等級(jí)與ADXL373（±400g量程）這類傳感器相同，均為峰值幅值10,000g、脈寬0.1ms的半正弦波沖擊曲線。不過(guò)，ADXL373的振動(dòng)機(jī)械余量要高得多。沖擊耐受等級(jí)可視為一項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試：測(cè)試對(duì)象不僅包括MEMS傳感器本身，內(nèi)部焊線、芯片貼裝、封裝乃至焊點(diǎn)的完整性，均需接受測(cè)試的考驗(yàn)。ADI的這類MEMS傳感器或許能承受超過(guò)10,000g的重復(fù)沖擊而不發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，但對(duì)于構(gòu)成這類器件的系統(tǒng)其他部件而言，情況可能并非如此。
沖擊測(cè)試
由于需要專用設(shè)備（如高度可達(dá)數(shù)米且需精準(zhǔn)控制的落塔或沖擊臺(tái)），在企業(yè)內(nèi)部復(fù)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化沖擊測(cè)試往往頗具挑戰(zhàn)性。因此，工程師常會(huì)尋求實(shí)用的替代方案。一種常用方法是在降低峰值加速度的同時(shí)延長(zhǎng)脈寬，以保持沖擊能量等效。這種方法的原理是：加速度-時(shí)間曲線下的面積（即速度）是衡量沖擊強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，因其與沖擊能量直接相關(guān)。對(duì)于半正弦沖擊脈沖的強(qiáng)度，可通過(guò)公式1估算沖擊速度：
其中V是速度（單位為m/s），A是峰值加速度（單位為m/s2），D是脈沖持續(xù)時(shí)間（單位為ms）。例如，根據(jù)IEC 60068-2-27的規(guī)定，200g加速度持續(xù)3ms的沖擊，與3000g加速度持續(xù)0.2ms的沖擊，二者產(chǎn)生的沖擊速度均約為3.8m/s。這種等效性使得測(cè)試裝置更易獲取，同時(shí)仍能近似模擬標(biāo)準(zhǔn)沖擊事件的機(jī)械能量。
結(jié)語(yǔ)
抗沖擊能力與耐振動(dòng)性常被誤解為可互換的指標(biāo)，但在MEMS加速度計(jì)中，二者代表著本質(zhì)不同的應(yīng)力特征與失效機(jī)制。沖擊事件雖偶發(fā)但強(qiáng)度極高，需依靠堅(jiān)固的機(jī)械設(shè)計(jì)避免災(zāi)難性損壞；而振動(dòng)則具有持續(xù)性與潛伏性，要求傳感器具備長(zhǎng)期可靠性與抗磨損能力。
理解兩者間的差異，是工程師為惡劣環(huán)境挑選傳感器的重要基礎(chǔ)。通過(guò)考量機(jī)械余量、阻尼特性及系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)健性等因素，設(shè)計(jì)人員不僅能確保所選傳感器能夠經(jīng)受住嚴(yán)苛環(huán)境的考驗(yàn)，更能保障長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
歸根結(jié)底，使傳感器指標(biāo)與應(yīng)用場(chǎng)景的機(jī)械應(yīng)力特征相匹配，是實(shí)現(xiàn)耐用性與精度的關(guān)鍵。通過(guò)選用合適的傳感器，并清晰掌握傳感器的性能局限與優(yōu)勢(shì)，工程師完全可在極端環(huán)境中放心地部署MEMS技術(shù)。
參考文獻(xiàn)
IEC 60068-2-27：Environmental Testing–Part 2-27: Tests–Test Ea and Guidance: Shock。
MIL-STD-883 Method 2007: Test Method Standard for Microcircuits。
《ADI可靠性手冊(cè)》，ADI公司，2014年11月。
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