發布日期：2022-10-09 點擊率：40
摘 要
在北美，近期以來正面碰撞傷亡事故率在下降但側面碰撞有呈上升趨勢。雖然業界對此原因有一些認識，但卻對如何最佳地組建側面碰撞測試方案以有效地收集數據缺乏共識。不過有一點被廣泛認同的是，我們需要在碰撞測試過程中收集更多的數據。 但這一點一直以來由于傳感器價格昂貴以及外形尺寸太大而受到限制。
本篇論文將介紹一款硅MEMS設計的微型加速度傳感器。該加速計有很好的價格優勢而且易于安裝在空間有限的位置。本文將在介紹這款產品規格的同時來討論它的關鍵特性。
關鍵字：側面碰撞，硅MEMS，
1. 引言
設計并制造適用于全球范圍的汽車安全測試對制造商也具有相當的難度。因為這一市場受多個不同組織規范。 例如，UNECE(United Nations Economic Commission for Europe)有個工作組為”The World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations”機動車協調規則世界論壇。 該組織成立于1958年，她的主要目標是制定標準來促進全球貿易。五十多個國家正式承認這個組織。但是在北美，美國有她的聯邦機動車安全標準，甚或加拿大有她自己的加拿大機動車安全標準。
那么這就不奇怪為什么當我們在定義特定測試參數的時候各方會存在很大差異。在美國有關側面碰撞測試情況就是一個例子。國家高速公路交通安全委員會(NHTSA)所用的障礙物要比高速公路安全保險學會(IIHS)的低一英尺。 采用更高障礙物的理由是這樣可以更好地說明由SUV一類較高的機動車引發的碰撞情況，而SUV 在北美是非常常見的車輛。
消費者在購買汽車時，常常會以安全等級排名作為決策依據。 因此許多汽車制造商和消費群體作了很多努力來解釋測試是如何進行的，以及所得到的結果，來展示其杰出的耐碰撞性能。而IIHS指出從1980-81 到2000-2001，正面碰撞致命事故下降了18%， 而側面碰撞事故增加了20%。這就使得汽車安全等級更受關注。
汽車測試領域的專家們為了充分理解側面碰撞運動學，而感到迫切需要增多測試點及測試數量。而實際的財務環境嚴重阻礙了他們獲取足夠所需的傳感器件資源。 再者側面碰撞測試的特點決定了傳感器的安裝位置受限導致常在測試過程中被損壞。這也使得傳感器資源成為迫切所需。
2. 特性與規格
Measurement Specialties（MEAS）于一年半以前成立了振動傳感器事業部，專門針對此類側面碰撞測試問題設計低成本，小型化加速計產品系列。直至今日已有十多種加速計在深圳工廠全面投產。
相比于同樣用在假人及車身安全測試的其他競爭廠商提供的產品，這些新開發的加速計產品系列價格沒有那么昂貴，并且性能更可靠。這里特別值得一提的是52型加速度傳感器（圖1），這款產品體現了尺寸，性能，及成本上的突破。
圖 1: 52型號3D 圖及尺寸圖
側面碰撞測試較之于正面碰撞具有g值大，頻率范圍寬的特點，52型號系列則專為側面碰撞測試而設計。其產品信號線的柔韌性及加速計本身的輕巧性使得安裝特別容易，尤其是在對加速計具有破壞性的應用測試場合。這些，再加上低成本的MEMS技術平臺，確保這款設計能用于全球汽車安全測試環境，具有與政府及組織的各類規范最廣泛的兼容性。
這款第二代硅MEMS器件，尺寸為9.7mm x 4.8mm x 3.3mm，采用雙懸臂梁設計。這種設計結構具備低橫向靈敏度特性，易于阻尼衰減控制及好的換能特性。頂蓋與底蓋的特殊結構用于過量程及沖擊保護。
圖 2: MEMS 晶元圖示-無頂蓋/底蓋
這類雙懸臂梁結構不存在振鈴現象且提供了很好的諧振控制，這是單懸臂梁結構所不具備的優勢。產品所用晶元本身的低橫向靈敏度特性源于嚴格控制的MEMS工藝，在后端的封裝過程中不再需要復雜的調整來滿足橫向靈敏度要求。
作為壓阻器件，52型號具有低功耗特性。產品橋路輸入阻抗高可避免熱升溫導致零漂，而零漂現象在硅應變片燒結類設計技術中是很常見的。由于設計采用惠斯通全橋結構，零位穩定時間也很快。輸入激勵電壓為2 ~ 12Vdc，并且輸入輸出成正比。這款設計（圖3）經由32AWG 四芯線纜輸出較大量值的毫伏信號，每根信號線都有特定顏色標志便于安裝及查錯。
安裝產品時，可將52型號的塑料蓋子牢固粘接在測試面上，為達到最佳性能，推薦使用氰基丙烯酸鹽粘合劑。此類粘合劑可從Superglue，Loctite，或Krazy Glue購買。安裝表面需平整，無樹脂、蠟、漆或外來塵粒的殘留污染。形成的粘接膠層盡可能薄可得到最佳的頻率響應特性。
圖 3: 電路圖
由圖4可以看到52型號有從50g 到2000g四個量程。取決于每個特定量程，頻率響應可從400Hz 到7000Hz，諧振頻率可從4000Hz 到26000Hz變化。所列值為在24°C(75°F)、100Hz、10Vdc 激勵下的典型值。
圖4: 52型號規格
3. 測試及測試數據
圖4所列52系列的規格均為相對保守的典型值。正在進行的一些研究工作顯示了這款設計可以具有更高的規格指標如非線性、頻響、零位穩定性及橫向靈敏度指標。例如，在使用氣動沖擊臺測試2000g量程產品時，線性可達到1.85% / 6000g，3.56% / 7040g。52的耐沖擊性能規格界定在5000g 而在同等沖擊g值測試下的線性誤差為+/-1%。圖5所示為沖擊測試臺。
更多的測試實驗發現這一代產品頻響在+/-5% 偏差帶范圍內可達7000Hz。隨機測試 5個樣品結果顯示具有很好的一致性。
圖5: 氣動沖擊臺
圖 6: 5個52型號樣品的頻率響應
再者，52型號產品的零位短期穩定性也非常好。連續測試8個小時，零位平均值為7.536mV而標準方差為0.012mV。最大最小值差異為0.060mV 。隨著產量的提高，產品穩定性會得到進一步的監控以確定上下限值。
最后，52橫向靈敏度規格保守定義為<3%。表1給出了幾個樣品的測試數據。圖7顯示了測試所用的獨特設備。該設備產生 13Hz，7~9g的正弦振動，被測產品按感應軸向安裝以獲得靈敏度值，然后按垂直于感應軸向安裝并旋轉180度測得橫向輸出。
表 1: 5個樣品橫向靈敏度測試數據
當被測產品在測試平臺上沿橫向靈敏度軸旋轉時，所讀到的最大輸出值即被用來計算橫向靈敏度值。這種測試的優點是它是動態的，考慮了垂直于感應軸的所有方向，且在同一臺測試設備上測試。這些特點使得橫向靈敏度測試結果更準確可靠。
圖 7: 橫向靈敏度測試
目前52系列已完成工程測試，投產前測試，在深圳工廠進入到正常生產階段。雖然該產品的設計初衷是面向側面碰撞測試應用，我們也期望客戶端即汽車安全測試市場基于產品優越性 - 低成本、易獲得性、寬頻帶、高精度及沖擊保護等 - 在將來能發現其它適合的應用。
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