极端环境生存之道：了解MEMS传感器中的冲击与振动问题

摘要

MEMS加速度计在机械应力频繁且剧烈的环境中应用日益广泛。本文探讨了抗冲击能力与耐振动性之间的关键差异，这两项核心指标决定了传感器在恶劣条件下的可靠性。文中概述了提升传感器稳健性的相关测试标准、失效机制及设计策略，并以ADI公司的加速度计与传感器为实例，阐明了机械余量和阻尼特性如何影响传感器在振动环境下的性能，并介绍了冲击测试如何评估系统级抗损毁能力。理解两项重要指标间的差异，是确保所选传感器兼顾性能要求与可靠性标准的重要前提。

引言

基于MEMS技术的加速度计，如今在恶劣环境中的应用愈发广泛；这类环境不仅存在机械应力，且应力持续作用。加速度计数据手册中常标注两项核心指标：抗冲击能力与耐振动性。尽管二者看似相似，但设计目的与测试方式却截然不同。理解两者间的差异，是为特定应用场景选择合适传感器的关键。

抗冲击能力：应对突发应力

抗冲击能力指加速度计承受非重复性、高幅值加速度事件的能力。这类事件通常发生在元件（集成电路，IC）的搬运、装配过程中，或设备意外跌落时。

测试标准：IEC 60068-2-27。

测试方法：向传感器的所有轴向施加特定幅值与持续时间的半正弦波脉冲。

测试目的：确保传感器在遭受偶发但极端的冲击后，仍能保持正常功能。

失效机制：通常会导致严重失效，例如MEMS结构中的悬臂梁断裂，但也可能引发系统级问题，如内部焊线脱落或芯片开裂。

耐振动性：应对日常应力

与之相反，耐振动性衡量的是传感器在持续或重复性振动环境下保持可靠运行的能力；这类环境在众多工业与交通运输应用中屡见不鲜。

测试标准：通常为MIL-STD-883 Method 2007（或制造商自行定义的标准）。

测试方法：在规定的幅值与频率范围内施加持续随机振动。

测试目的：验证传感器在工作状态下的振动环境中具备长期可靠性。

失效机制：常因防护结构磨损，导致粘连或颗粒污染问题。

为何需要区分二者

冲击与振动对传感器造成的应力作用存在本质差异。一款抗冲击能力达数千g的传感器，可能在数百g的持续振动下失效。这种区分对于确保传感器的抗损毁能力与性能至关重要。抗冲击能力针对的是可能导致系统级失效的非重复性极高幅值冲击，而耐振动性针对的是长期可靠性。

1 “g”指重力加速度（9.81m/s²）。

图1.(a)MEMS加速度计结构示意图。(b)其中一个限位器的放大图。限位器可在高冲击事件下保护MEMS结构。

MEMS传感器的设计对冲击与振动这两项指标的耐受能力起着决定性作用。例如，机械限位器与防粘连涂层材料是设计中用于保护MEMS结构完整性的部分措施。防粘连涂层可产生低表面能量和/或电绝缘性，而机械限位器能防止检测质量块与固定指组完全接触。图1展示了MEMS加速度计的简化结构示意图。机械限位器通常设有4µm至5µm宽的锯齿状凸起（小凸点），可在高冲击事件下减小接触面积，从而有助于避免粘连问题。

以推土机等重型机械为例，其需使用加速度计作为倾角传感器，以确保在不平坦地形上正常作业或实现地形平整。在此类应用中，加速度计可能会承受峰值幅值达数十g（甚至超过100g）的持续随机振动，且需具备高倾斜精度、高温稳定性与可重复性。

从性能角度来看，ADXL357B这类加速度计是理想之选。尽管其满量程范围限定为±40g，但它能够承受更大的振动。振动安全区在很大程度上取决于传感器的机械设计，包括谐振频率、阻尼特性及触发机械限位器所需的加速度输入（称为机械余量）。为说明振动安全区，我们可分析机械余量与频率的关系，如图2所示。

图2.ADXL357B机械余量与频率的关系。谐振点附近的机械余量会降低，凸显了阻尼在传感器设计中的重要性。根据MIL-STD-883 Method 2007测试条件C的规范，ADXL357B的额定指标为：可承受频率范围0Hz至2kHz、峰值幅值70g的持续随机振动。

这有助于工程师了解检测质量块接触限位器前的余量大小，并了解传感器谐振频率与品质因数在其中所起的作用。当输入振动被品质因数机械放大时，振动频率越接近传感器谐振频率，机械余量就会有效降低。

电气带宽与机械极限

加速度计的内置信号链通常配备模拟滤波器与数字滤波器，而像ADXL380这样的新型传感器，甚至还搭载了数字均衡滤波器，可有效将带宽平坦度扩展至4kHz。这一特性在路噪降噪(RNC)等应用中十分实用；此类场景下，要生成有效的抗噪声信号，精准检测宽频振动必不可少。但需注意，电气滤波或均衡处理无法消除MEMS结构受到的物理激励。传感器仍会承受机械应力，若运行时超出传感器的机械余量，可能导致粘连、疲劳或结构劣化。因此，即使电气输出在扩展带宽范围内呈现线性特性，设计人员也必须确保振动幅值处于安全的机械极限之内。

冲击与传感器满量程范围

值得注意的是，ADXL357B（±40g量程）与ADXL380（最高±16g量程），其抗损毁等级与ADXL373（±400g量程）这类传感器相同，均为峰值幅值10,000g、脉宽0.1ms的半正弦波冲击曲线。不过，ADXL373的振动机械余量要高得多。冲击耐受等级可视为一项系统级测试：测试对象不仅包括MEMS传感器本身，内部焊线、芯片贴装、封装乃至焊点的完整性，均需接受测试的考验。ADI的这类MEMS传感器或许能承受超过10,000g的重复冲击而不发生结构失效，但对于构成这类器件的系统其他部件而言，情况可能并非如此。

冲击测试

由于需要专用设备（如高度可达数米且需精准控制的落塔或冲击台），在企业内部复现标准化冲击测试往往颇具挑战性。因此，工程师常会寻求实用的替代方案。一种常用方法是在降低峰值加速度的同时延长脉宽，以保持冲击能量等效。这种方法的原理是：加速度-时间曲线下的面积（即速度）是衡量冲击强度的关键指标，因其与冲击能量直接相关。对于半正弦冲击脉冲的强度，可通过公式1估算冲击速度：

其中V是速度（单位为m/s），A是峰值加速度（单位为m/s²），D是脉冲持续时间（单位为ms）。例如，根据IEC 60068-2-27的规定，200g加速度持续3ms的冲击，与3000g加速度持续0.2ms的冲击，二者产生的冲击速度均约为3.8m/s。这种等效性使得测试装置更易获取，同时仍能近似模拟标准冲击事件的机械能量。

结语

抗冲击能力与耐振动性常被误解为可互换的指标，但在MEMS加速度计中，二者代表着本质不同的应力特征与失效机制。冲击事件虽偶发但强度极高，需依靠坚固的机械设计避免灾难性损坏；而振动则具有持续性与潜伏性，要求传感器具备长期可靠性与抗磨损能力。

理解两者间的差异，是工程师为恶劣环境挑选传感器的重要基础。通过考量机械余量、阻尼特性及系统级稳健性等因素，设计人员不仅能确保所选传感器能够经受住严苛环境的考验，更能保障长期稳定运行。

归根结底，使传感器指标与应用场景的机械应力特征相匹配，是实现耐用性与精度的关键。通过选用合适的传感器，并清晰掌握传感器的性能局限与优势，工程师完全可在极端环境中放心地部署MEMS技术。

致谢

感谢Mark Looney和Tyler Dunn提供的意见和支持。

参考文献

IEC 60068-2-27：Environmental Testing–Part 2-27: Tests–TestEa and Guidance: Shock。

MIL-STD-883 Method 2007: Test Method Standardfor Microcircuits。

《ADI可靠性手册》，ADI公司，2014年11月。