摘 要
    在北美，近期以來(lái)正面碰撞傷亡事故率在下降但側(cè)面碰撞有呈上升趨勢(shì)。雖然業(yè)界對(duì)此原因有一些認(rèn)識(shí)，但卻對(duì)如何最佳地組建側(cè)面碰撞測(cè)試方案以有效地收集數(shù)據(jù)缺乏共識(shí)。不過(guò)有一點(diǎn)被廣泛認(rèn)同的是，我們需要在碰撞測(cè)試過(guò)程中收集更多的數(shù)據(jù)。 但這一點(diǎn)一直以來(lái)由于傳感器價(jià)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(shè)計(jì)的微型加速度傳感器。該加速計(jì)有很好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)而且易于安裝在空間有限的位置。本文將在介紹這款產(chǎn)品規(guī)格的同時(shí)來(lái)討論它的關(guān)鍵特性。

    關(guān)鍵字：側(cè)面碰撞，硅MEMS，

1. 引言

    設(shè)計(jì)并制造適用于全球范圍的汽車(chē)安全測(cè)試對(duì)制造商也具有相當(dāng)?shù)碾y度。因?yàn)檫@一市場(chǎng)受多個(gè)不同組織規(guī)范。 例如，UNECE(United Nations Economic Commission for Europe)有個(gè)工作組為”The World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations”機(jī)動(dòng)車(chē)協(xié)調(diào)規(guī)則世界論壇。 該組織成立于1958年，她的主要目標(biāo)是制定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)促進(jìn)全球貿(mào)易。五十多個(gè)國(guó)家正式承認(rèn)這個(gè)組織。但是在北美，美國(guó)有她的聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)，甚或加拿大有她自己的加拿大機(jī)動(dòng)車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)。

    那么這就不奇怪為什么當(dāng)我們?cè)诙x特定測(cè)試參數(shù)的時(shí)候各方會(huì)存在很大差異。在美國(guó)有關(guān)側(cè)面碰撞測(cè)試情況就是一個(gè)例子。國(guó)家高速公路交通安全委員會(huì)(NHTSA)所用的障礙物要比高速公路安全保險(xiǎn)學(xué)會(huì)(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(shuō)明由SUV一類(lèi)較高的機(jī)動(dòng)車(chē)引發(fā)的碰撞情況，而SUV 在北美是非常常見(jiàn)的車(chē)輛。

    消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)，常常會(huì)以安全等級(jí)排名作為決策依據(jù)。 因此許多汽車(chē)制造商和消費(fèi)群體作了很多努力來(lái)解釋測(cè)試是如何進(jìn)行的，以及所得到的結(jié)果，來(lái)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(cè)面碰撞事故增加了20%。這就使得汽車(chē)安全等級(jí)更受關(guān)注。

    汽車(chē)測(cè)試領(lǐng)域的專(zhuān)家們?yōu)榱顺浞掷斫鈧?cè)面碰撞運(yùn)動(dòng)學(xué)，而感到迫切需要增多測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試數(shù)量。而實(shí)際的財(cái)務(wù)環(huán)境嚴(yán)重阻礙了他們獲取足夠所需的傳感器件資源。 再者側(cè)面碰撞測(cè)試的特點(diǎn)決定了傳感器的安裝位置受限導(dǎo)致常在測(cè)試過(guò)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(guī)格

    Measurement Specialties（MEAS）于一年半以前成立了振動(dòng)傳感器事業(yè)部，專(zhuān)門(mén)針對(duì)此類(lèi)側(cè)面碰撞測(cè)試問(wèn)題設(shè)計(jì)低成本，小型化加速計(jì)產(chǎn)品系列。直至今日已有十多種加速計(jì)在深圳工廠全面投產(chǎn)。

    相比于同樣用在假人及車(chē)身安全測(cè)試的其他競(jìng)爭(zhēng)廠商提供的產(chǎn)品，這些新開(kāi)發(fā)的加速計(jì)產(chǎn)品系列價(jià)格沒(méi)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(chǎn)品體現(xiàn)了尺寸，性能，及成本上的突破。
　 　
　

圖 1:  52型號(hào)3D 圖及尺寸圖

　　側(cè)面碰撞測(cè)試較之于正面碰撞具有g(shù)值大，頻率范圍寬的特點(diǎn)，52型號(hào)系列則專(zhuān)為側(cè)面碰撞測(cè)試而設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品信號(hào)線的柔韌性及加速計(jì)本身的輕巧性使得安裝特別容易，尤其是在對(duì)加速計(jì)具有破壞性的應(yīng)用測(cè)試場(chǎng)合。這些，再加上低成本的MEMS技術(shù)平臺(tái)，確保這款設(shè)計(jì)能用于全球汽車(chē)安全測(cè)試環(huán)境，具有與政府及組織的各類(lèi)規(guī)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(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)用于過(guò)量程及沖擊保護(hù)。
 

圖 2:  MEMS 晶元圖示-無(wú)頂蓋/底蓋

　　這類(lèi)雙懸臂梁結(jié)構(gòu)不存在振鈴現(xiàn)象且提供了很好的諧振控制，這是單懸臂梁結(jié)構(gòu)所不具備的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品所用晶元本身的低橫向靈敏度特性源于嚴(yán)格控制的MEMS工藝，在后端的封裝過(guò)程中不再需要復(fù)雜的調(diào)整來(lái)滿(mǎn)足橫向靈敏度要求。
　
                      
    作為壓阻器件，52型號(hào)具有低功耗特性。產(chǎn)品橋路輸入阻抗高可避免熱升溫導(dǎo)致零漂，而零漂現(xiàn)象在硅應(yīng)變片燒結(jié)類(lèi)設(shè)計(jì)技術(shù)中是很常見(jiàn)的。由于設(shè)計(jì)采用惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，零位穩(wěn)定時(shí)間也很快。輸入激勵(lì)電壓為2 ~ 12Vdc，并且輸入輸出成正比。這款設(shè)計(jì)（圖3）經(jīng)由32AWG 四芯線纜輸出較大量值的毫伏信號(hào)，每根信號(hào)線都有特定顏色標(biāo)志便于安裝及查錯(cuò)。

 安裝產(chǎn)品時(shí)，可將52型號(hào)的塑料蓋子牢固粘接在測(cè)試面上，為達(dá)到最佳性能，推薦使用氰基丙烯酸鹽粘合劑。此類(lèi)粘合劑可從Superglue，Loctite，或Krazy Glue購(gòu)買(mǎi)。安裝表面需平整，無(wú)樹(shù)脂、蠟、漆或外來(lái)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(yīng)特性。
　

圖 3:  電路圖

    由圖4可以看到52型號(hào)有從50g 到2000g四個(gè)量程。取決于每個(gè)特定量程，頻率響應(yīng)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(lì)下的典型值。
 

圖4:  52型號(hào)規(guī)格

3. 測(cè)試及測(cè)試數(shù)據(jù)

　
           圖4所列52系列的規(guī)格均為相對(duì)保守的典型值。正在進(jìn)行的一些研究工作顯示了這款設(shè)計(jì)可以具有更高的規(guī)格指標(biāo)如非線性、頻響、零位穩(wěn)定性及橫向靈敏度指標(biāo)。例如，在使用氣動(dòng)沖擊臺(tái)測(cè)試2000g量程產(chǎn)品時(shí)，線性可達(dá)到1.85% / 6000g，3.56% / 7040g。52的耐沖擊性能規(guī)格界定在5000g 而在同等沖擊g值測(cè)試下的線性誤差為+/-1%。圖5所示為沖擊測(cè)試臺(tái)。
更多的測(cè)試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這一代產(chǎn)品頻響在+/-5% 偏差帶范圍內(nèi)可達(dá)7000Hz。隨機(jī)測(cè)試 5個(gè)樣品結(jié)果顯示具有很好的一致性。

圖5: 氣動(dòng)沖擊臺(tái)
　

圖 6: 5個(gè)52型號(hào)樣品的頻率響應(yīng)

    再者，52型號(hào)產(chǎn)品的零位短期穩(wěn)定性也非常好。連續(xù)測(cè)試8個(gè)小時(shí)，零位平均值為7.536mV而標(biāo)準(zhǔn)方差為0.012mV。最大最小值差異為0.060mV 。隨著產(chǎn)量的提高，產(chǎn)品穩(wěn)定性會(huì)得到進(jìn)一步的監(jiān)控以確定上下限值。

    最后，52橫向靈敏度規(guī)格保守定義為<3%。表1給出了幾個(gè)樣品的測(cè)試數(shù)據(jù)。圖7顯示了測(cè)試所用的獨(dú)特設(shè)備。該設(shè)備產(chǎn)生 13Hz，7~9g的正弦振動(dòng)，被測(cè)產(chǎn)品按感應(yīng)軸向安裝以獲得靈敏度值，然后按垂直于感應(yīng)軸向安裝并旋轉(zhuǎn)180度測(cè)得橫向輸出。
　
表 1: 5個(gè)樣品橫向靈敏度測(cè)試數(shù)據(jù)

　　當(dāng)被測(cè)產(chǎn)品在測(cè)試平臺(tái)上沿橫向靈敏度軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所讀到的最大輸出值即被用來(lái)計(jì)算橫向靈敏度值。這種測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是它是動(dòng)態(tài)的，考慮了垂直于感應(yīng)軸的所有方向，且在同一臺(tái)測(cè)試設(shè)備上測(cè)試。這些特點(diǎn)使得橫向靈敏度測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確可靠。

圖 7: 橫向靈敏度測(cè)試

　
    目前52系列已完成工程測(cè)試，投產(chǎn)前測(cè)試，在深圳工廠進(jìn)入到正常生產(chǎn)階段。雖然該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初衷是面向側(cè)面碰撞測(cè)試應(yīng)用，我們也期望客戶(hù)端即汽車(chē)安全測(cè)試市場(chǎng)基于產(chǎn)品優(yōu)越性 - 低成本、易獲得性、寬頻帶、高精度及沖擊保護(hù)等 - 在將來(lái)能發(fā)現(xiàn)其它適合的應(yīng)用。