【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，MEMSjiasudujimianlinzhechixuzhendongyushunshichongjideshuangzhongkaoyan。shenrubianxichuanganqidekangchongjinengliyunaizhendongtexing，chengweiquebaoshebeizaieliejixiehuanjingxiawendingyunxingdeguanjian。benwenjiangxitongjiexiliangzhongjixieyingliduichuanganqixingnengdeyingxiangjizhi，congshixiaofenxi
、測試標準到穩健性設計策略進行全麵探討，並結合ADI公(gong)司(si)先(xian)進(jin)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)品(pin)的(de)實(shi)際(ji)案(an)例(li)，闡(chan)釋(shi)機(ji)械(xie)餘(yu)量(liang)優(you)化(hua)與(yu)阻(zu)尼(ni)特(te)性(xing)設(she)計(ji)如(ru)何(he)提(ti)升(sheng)產(chan)品(pin)在(zai)振(zhen)動(dong)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)，以(yi)及(ji)科(ke)學(xue)的(de)衝(chong)擊(ji)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)如(ru)何(he)驗(yan)證(zheng)設(she)備(bei)的(de)抗(kang)損(sun)毀(hui)極(ji)限(xian)。掌(zhang)握(wo)這(zhe)些(xie)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)要(yao)點(dian)，將(jiang)為(wei)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)型(xing)與(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)重(zhong)要(yao)依(yi)據(ju)。

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
，MEMSjiasudujimianlinzhechixuzhendongyushunshichongjideshuangzhongkaoyan。shenrubianxichuanganqidekangchongjinengliyunaizhendongtexing
，chengweiquebaoshebeizaieliejixiehuanjingxiawendingyunxingdeguanjian。benwenjiangxitongjiexiliangzhongjixieyingliduichuanganqixingnengdeyingxiangjizhi，congshixiaofenxi、測試標準到穩健性設計策略進行全麵探討，並結合ADI公(gong)司(si)先(xian)進(jin)傳(chuan)感(gan)器(qi)產(chan)品(pin)的(de)實(shi)際(ji)案(an)例(li)，闡(chan)釋(shi)機(ji)械(xie)餘(yu)量(liang)優(you)化(hua)與(yu)阻(zu)尼(ni)特(te)性(xing)設(she)計(ji)如(ru)何(he)提(ti)升(sheng)產(chan)品(pin)在(zai)振(zhen)動(dong)環(huan)境(jing)下(xia)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)
，以(yi)及(ji)科(ke)學(xue)的(de)衝(chong)擊(ji)測(ce)試(shi)方(fang)法(fa)如(ru)何(he)驗(yan)證(zheng)設(she)備(bei)的(de)抗(kang)損(sun)毀(hui)極(ji)限(xian)。掌(zhang)握(wo)這(zhe)些(xie)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)要(yao)點(dian)
，將(jiang)為(wei)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)選(xuan)型(xing)與(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)重(zhong)要(yao)依(yi)據(ju)。

引言

基於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：kangchongjinengliyunaizhendongxing。jinguanerzhekansixiangsi，danshejimudeyuceshifangshiquejieranbutong。lijieliangzhejiandechayi，shiweitedingyingyongchangjingxuanzeheshichuanganqideguanjian。

抗衝擊能力：應對突發應力

抗衝擊能力指加速度計承受非重複性、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衝。

• 測試目的：確保傳感器在遭受偶發但極端的衝擊後，仍能保持正常功能。

• 失效機製：通常會導致嚴重失效，例如MEMS結構中的懸臂梁斷裂，但也可能引發係統級問題，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複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（或製造商自行定義的標準）。

• 測試方法：在規定的幅值與頻率範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。

• 失效機製：常因防護結構磨損，導致粘連或顆粒汙染問題。

為何需要區分二者

衝擊與振動對傳感器造成的應力作用存在本質差異。一款抗衝擊能力達數千g的傳感器，可能在數百g的de持chi續xu振zhen動dong下xia失shi效xiao。這zhe種zhong區qu分fen對dui於yu確que保bao傳chuan感gan器qi的de抗kang損sun毀hui能neng力li與yu性xing能neng至zhi關guan重zhong要yao。抗kang衝chong擊ji能neng力li針zhen對dui的de是shi可ke能neng導dao致zhi係xi統tong級ji失shi效xiao的de非fei重zhong複fu性xing極ji高gao幅fu值zhi衝chong擊ji，而er耐nai振zhen動dong性xing針zhen對dui的de是shi長chang期qi可ke靠kao性xing。

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。限位器可在高衝擊事件下保護MEMS結構。

MEMS傳感器的設計對衝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塗層材料是設計中用於保護MEMS結構完整性的部分措施。防粘連塗層可產生低表麵能量和/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），可在高衝擊事件下減小接觸麵積，從而有助於避免粘連問題。

以yi推tui土tu機ji等deng重zhong型xing機ji械xie為wei例li，其qi需xu使shi用yong加jia速su度du計ji作zuo為wei傾qing角jiao傳chuan感gan器qi
，以yi確que保bao在zai不bu平ping坦tan地di形xing上shang正zheng常chang作zuo業ye或huo實shi現xian地di形xing平ping整zheng。在zai此ci類lei應ying用yong中zhong，加jia速su度du計ji可ke能neng會hui承cheng受shou峰feng值zhi幅fu值zhi達da數shu十shig（甚至超過100g）的持續隨機振動
，且需具備高傾斜精度

、高溫穩定性與可重複性。

從性能角度來看
，ADXL357B這類加速度計是理想之選。盡管其滿量程範圍限定為±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於傳感器的機械設計
，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（稱為機械餘量）。為說明振動安全區

，我們可分析機械餘量與頻率的關係，如圖2所示。

圖2.ADXL357B機械餘量與頻率的關係。諧振點附近的機械餘量會降低，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的規範，ADXL357B的額定指標為：可承受頻率範圍0Hz至2kHz、峰值幅值70g的持續隨機振動。

zheyouzhuyugongchengshilejiejiancezhiliangkuaijiechuxianweiqiqiandeyuliangdaxiao
，binglejiechuanganqixiezhenpinlvyupinzhiyinshuzaiqizhongsuoqidezuoyong。dangshuruzhendongbeipinzhiyinshujixiefangdashi

，zhendongpinlvyuejiejinchuanganqixiezhenpinlv，jixieyuliangjiuhuiyouxiaojiangdi。

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餘量
，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範圍內呈現線性特性，設計人員也必須確保振動幅值處於安全的機械極限之內。

衝擊與傳感器滿量程範圍

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的半正弦波衝擊曲線。不過
，ADXL373的振動機械餘量要高得多。衝擊耐受等級可視為一項係統級測試：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的重複衝擊而不發生結構失效
，但對於構成這類器件的係統其他部件而言，情況可能並非如此。

衝擊測試

由於需要專用設備（如高度可達數米且需精準控製的落塔或衝擊台），zaiqiyeneibufuxianbiaozhunhuachongjiceshiwangwangpojutiaozhanxing。yinci
，gongchengshichanghuixunqiushiyongdetidaifangan。yizhongchangyongfangfashizaijiangdifengzhijiasududetongshiyanchangmaikuan，yibaochichongjinengliangdengxiao。zhezhongfangfadeyuanlishi：加速度-時間曲線下的麵積（即速度）是衡量衝擊強度的關鍵指標
，因其與衝擊能量直接相關。對於半正弦衝擊脈衝的強度，可通過公式1估算衝擊速度：

其中V是速度（單位為m/s），A是峰值加速度（單位為m/s²）
，D是脈衝持續時間（單位為ms）。例如，根據IEC 60068-2-27的規定，200g加速度持續3ms的衝擊，與3000g加速度持續0.2ms的衝擊，二者產生的衝擊速度均約為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衝擊事件的機械能量。

結語

抗衝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製。衝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。通過考量機械餘量、阻尼特性及係統級穩健性等因素，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。

guigenjiedi，shichuanganqizhibiaoyuyingyongchangjingdejixieyinglitezhengxiangpipei，shishixiannaiyongxingyujingdudeguanjian。tongguoxuanyongheshidechuanganqi
，bingqingxizhangwochuanganqidexingnengjuxianyuyoushi，gongchengshiwanquankezaijiduanhuanjingzhongfangxindibushuMEMS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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