【導讀】在現代工業自動化、汽車電子和航空航天等嚴苛應用場景中，MEMS加速度計面臨著持續振動與瞬時沖擊的雙重考驗。深入辨析傳感器的抗沖擊能力與耐振動特性，成為確保設備在惡劣機械環境下穩定運行的關鍵。本文將系統解析兩種機械應力對傳感器性能的影響機制，從失效分析、測試標準到穩健性設計策略進行全面探討，并結合ADI公司先進傳感器產品的實際案例，闡釋機械余量優化與阻尼特性設計如何提升產品在振動環境下的測量精度，以及科學的沖擊測試方法如何驗證設備的抗損毀極限。掌握這些關鍵技術要點，將為高可靠性應用中的傳感器選型與系統設計提供重要依據。
摘要
在現代工業自動化、汽車電子和航空航天等嚴苛應用場景中，MEMS加速度計面臨著持續振動與瞬時沖擊的雙重考驗。深入辨析傳感器的抗沖擊能力與耐振動特性，成為確保設備在惡劣機械環境下穩定運行的關鍵。本文將系統解析兩種機械應力對傳感器性能的影響機制，從失效分析、測試標準到穩健性設計策略進行全面探討，并結合ADI公司先進傳感器產品的實際案例，闡釋機械余量優化與阻尼特性設計如何提升產品在振動環境下的測量精度，以及科學的沖擊測試方法如何驗證設備的抗損毀極限。掌握這些關鍵技術要點，將為高可靠性應用中的傳感器選型與系統設計提供重要依據。
引言
基于MEMS技術的加速度計，如今在惡劣環境中的應用愈發廣泛；這類環境不僅存在機械應力，且應力持續作用。加速度計數據手冊中常標注兩項核心指標：抗沖擊能力與耐振動性。盡管二者看似相似，但設計目的與測試方式卻截然不同。理解兩者間的差異，是為特定應用場景選擇合適傳感器的關鍵。
抗沖擊能力：應對突發應力
抗沖擊能力指加速度計承受非重復性、高幅值加速度事件的能力。這類事件通常發生在元件（集成電路，IC）的搬運、裝配過程中，或設備意外跌落時。
? 測試標準：IEC 60068-2-27。
? 測試方法：向傳感器的所有軸向施加特定幅值與持續時間的半正弦波脈沖。
? 測試目的：確保傳感器在遭受偶發但極端的沖擊后，仍能保持正常功能。
? 失效機制：通常會導致嚴重失效，例如MEMS結構中的懸臂梁斷裂，但也可能引發系統級問題，如內部焊線脫落或芯片開裂。
耐振動性：應對日常應力
與之相反，耐振動性衡量的是傳感器在持續或重復性振動環境下保持可靠運行的能力；這類環境在眾多工業與交通運輸應用中屢見不鮮。
? 測試標準：通常為MIL-STD-883 Method 2007（或制造商自行定義的標準）。
? 測試方法：在規定的幅值與頻率范圍內施加持續隨機振動。
? 測試目的：驗證傳感器 在工作狀態下的振動環境中具備長期可靠性。
? 失效機制：常因防護結構磨損，導致粘連或顆粒污染問題。
為何需要區分二者
沖擊與振動對傳感器造成的應力作用存在本質差異。一款抗沖擊能力達數千g的傳感器，可能在數百g的持續振動下失效。這種區分對于確保傳感器的抗損毀能力與性能至關重要。抗沖擊能力針對的是可能導致系統級失效的非重復性極高幅值沖擊，而耐振動性針對的是長期可靠性。
1 “g”指重力加速度（9.81m/s2）。
圖1.(a)MEMS加速度計結構示意圖。(b)其中一個限位器的放大圖。限位器可在高沖擊事件下保護MEMS結構。
MEMS傳感器的設計對沖擊與振動這兩項指標的耐受能力起著決定性作用。例如，機械限位器與防粘連涂層材料是設計中用于保護MEMS結構完整性的部分措施。防粘連涂層可產生低表面能量和/或電絕緣性，而機械限位器能防止檢測質量塊與固定指組完全接觸。圖1展示了MEMS加速度計的簡化結構示意圖。機械限位器通常設有4μm至5μm寬的鋸齒狀凸起（小凸點），可在高沖擊事件下減小接觸面積，從而有助于避免粘連問題。
以推土機等重型機械為例，其需使用加速度計作為傾角傳感器，以確保在不平坦地形上正常作業或實現地形平整。在此類應用中，加速度計可能會承受峰值幅值達數十g（甚至超過100g）的持續隨機振動，且需具備高傾斜精度、高溫穩定性與可重復性。
從性能角度來看，ADXL357B這類加速度計是理想之選。盡管其滿量程范圍限定為±40g，但它能夠承受更大的振動。振動安全區在很大程度上取決于傳感器的機械設計，包括諧振頻率、阻尼特性及觸發機械限位器所需的加速度輸入（稱為機械余量）。為說明振動安全區，我們可分析機械余量與頻率的關系，如圖2所示。
圖2.ADXL357B機械余量與頻率的關系。諧振點附近的機械余量會降低，凸顯了阻尼在傳感器設計中的重要性。根據MIL-STD-883 Method 2007測試條件C的規范，ADXL357B的額定指標為：可承受頻率范圍0Hz至2kHz、峰值幅值70g的持續隨機振動。
這有助于工程師了解檢測質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因數在其中所起的作用。當輸入振動被品質因數機械放大時，振動頻率越接近傳感器諧振頻率，機械余量就會有效降低。
電氣帶寬與機械極限
加速度計的內置信號鏈通常配備模擬濾波器與數字濾波器，而像ADXL380這樣的新型傳感器，甚至還搭載了數字均衡濾波器，可有效將帶寬平坦度擴展至4kHz。這一特性在路噪降噪(RNC)等應用中十分實用；此類場景下，要生成有效的抗噪聲信號，精準檢測寬頻振動必不可少。但需注意，電氣濾波或均衡處理無法消除MEMS結構受到的物理激勵。傳感器仍會承受機械應力，若運行時超出傳感器的機械余量，可能導致粘連、疲勞或結構劣化。因此，即使電氣輸出在擴展帶寬范圍內呈現線性特性，設計人員也必須確保振動幅值處于安全的機械極限之內。
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，ADXL373的振動機械余量要高得多。沖擊耐受等級可視為一項系統級測試：測試對象不僅包括MEMS傳感器本身，內部焊線、芯片貼裝、封裝乃至焊點的完整性，均需接受測試的考驗。ADI的這類MEMS傳感器或許能承受超過10,000g的重復沖擊而不發生結構失效，但對于構成這類器件的系統其他部件而言，情況可能并非如此。
沖擊測試
由于需要專用設備（如高度可達數米且需精準控制的落塔或沖擊臺），在企業內部復現標準化沖擊測試往往頗具挑戰性。因此，工程師常會尋求實用的替代方案。一種常用方法是在降低峰值加速度的同時延長脈寬，以保持沖擊能量等效。這種方法的原理是：加速度-時間曲線下的面積（即速度）是衡量沖擊強度的關鍵指標，因其與沖擊能量直接相關。對于半正弦沖擊脈沖的強度，可通過公式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是脈沖持續時間（單位為ms）。例如，根據IEC 60068-2-27的規定，200g加速度持續3ms的沖擊，與3000g加速度持續0.2ms的沖擊，二者產生的沖擊速度均約為3.8m/s。這種等效性使得測試裝置更易獲取，同時仍能近似模擬標準沖擊事件的機械能量。
結語
抗沖擊能力與耐振動性常被誤解為可互換的指標，但在MEMS加速度計中，二者代表著本質不同的應力特征與失效機制。沖擊事件雖偶發但強度極高，需依靠堅固的機械設計避免災難性損壞；而振動則具有持續性與潛伏性，要求傳感器具備長期可靠性與抗磨損能力。
理解兩者間的差異，是工程師為惡劣環境挑選傳感器的重要基礎。通過考量機械余量、阻尼特性及系統級穩健性等因素，設計人員不僅能確保所選傳感器能夠經受住嚴苛環境的考驗，更能保障長期穩定運行。
歸根結底，使傳感器指標與應用場景的機械應力特征相匹配，是實現耐用性與精度的關鍵。通過選用合適的傳感器，并清晰掌握傳感器的性能局限與優勢，工程師完全可在極端環境中放心地部署MEMS技術。
參考文獻
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》，ADI公司，2014年11月。
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