極端環境生存之道：瞭解MEMS感測器中的衝擊與振動問題

作者：ADI 產品應用工程師 Pablo del Corro


摘要

MEMS加速度計在機械應力頻繁且劇烈的環境中應用日益廣泛。本文探討抗衝擊能力與耐振動性之間的關鍵差異，這兩項核心指標決定了感測器在惡劣條件下的可靠性。文中概述了提升感測器穩健性的相關測試標準、失效機制及設計策略，並以ADI的加速度計與感測器為實例，闡明機械餘量和阻尼特性如何影響感測器在振動環境下的性能，並介紹了衝擊測試如何評估系統級抗損毀能力。理解兩項重要指標間的差異，是確保所選感測器兼顧性能要求與可靠性標準的重要前提。

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；此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註兩項核心指標：抗衝擊能力與耐振動性。儘管二者看似相似，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感測器的關鍵。

抗衝擊能力：因應突發衝擊

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。此類事件通常發生在元件（積體電路，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：向感測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：確保感測器在遭受偶發但極端的衝擊後，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，如內部焊線脫落或晶片開裂。

耐振動性：因應日常振動環境

與之相反的是，耐振動性衡量的是感測器在持續或重複性振動環境下保持可靠運行的能力；此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： 驗證感測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

衝擊與振動對感測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的感測器，可能在數百g的持續振動下失效。這種區分對於確保感測器的抗損毀能力與性能非常重要。抗衝擊能力針對的是可能導致系統級失效的非重複性極高幅值衝擊，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）。

MEMS感測器的設計對衝擊與振動這兩項指標的耐受能力產生決定性作用。例如，機械限位器與防沾黏塗層材料是設計中用於保護MEMS結構完整性的部分措施。防沾黏塗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品質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面積，進而有助於避免沾黏問題。

Figure 1. (a) Representation of a MEMS accelerometer structure. (b) Zoomed-in section on one of the stoppers. The stoppers help protect the MEMS structure under high shock events.
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。

以推土機等重型機械為例，其需使用加速度計作為傾角感測器，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100 g）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。儘管其滿量程範圍限定為±40g，但其能夠承受更大的振動。振動安全區在很大程度上取決於感測器的機械設計，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。

Figure 2. ADXL357B mechanical headroom vs. frequency. The mechanical headroom decreases near resonance, highlighting the importance of damping in sensor design. The ADXL357B is rated to 70 g peak amplitude continuous random vibration with frequency content from 0 Hz to 2 kHz, based on MIL-STD-883 Method 2007, Test Condition C specifications.
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，突顯了阻尼在感測器設計中的重要性。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70 g的持續隨機振動。

這有助於工程師瞭解檢測品質塊接觸限位器前的餘量大小，並瞭解感測器諧振頻率與品質因數在其中所產生的作用。當輸入振動被品質因數機械放大時，振動頻率越接近感測器諧振頻率，機械餘量就會有效降低。

電氣頻寬與機械極限

加速度計的內建訊號鏈通常配備類比濾波器與數位濾波器，而如ADXL380的新型感測器，甚至還搭載了數位均衡濾波器，可有效將頻寬平坦度擴展至4kHz。此一特性在路面降噪(RNC)等應用中十分實用；此類場景下，要生成有效的抗雜訊訊號，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。感測器仍會承受機械應力，若運行時超出感測器的機械餘量，可能導致沾黏、疲勞或結構劣化。因此，即使電氣輸出在擴展頻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。

衝擊與感測器滿量程範圍

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）這類感測器相同，均為峰值幅值10,000g、脈寬0.1ms的半正弦波衝擊曲線。不過，ADXL373的振動機械餘量高出更多。衝擊耐受等級可視為一項系統級測試：測試物件不僅包括MEMS感測器本身，內部焊線、晶片貼裝、封裝乃至焊點的完整性，均需接受測試的考驗。ADI的這類MEMS感測器或許能承受超過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系統其他零件而言，情況可能並非如此。

衝擊測試

由於需要專用設備（如高度可達數公尺且需精準控制的落塔或衝擊台），在企業內部複現標準化衝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，以保持衝擊能量等效。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，可透過公式1估算衝擊速度：

Equation 1.

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，200 g加速度持續3ms的衝擊，與3000 g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徵與失效機制。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，這會要求感測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感測器的重要基礎。透過考量機械餘量、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感測器能夠經受住嚴苛環境的考驗，更能保障長期穩定運行。

歸根究柢，使感測器指標與應用場景的機械應力特徵相互匹配，是實現耐用性與精度的關鍵。透過選用合適的感測器，並清晰掌握感測器的性能侷限與優勢，將使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，2014年11月。