摘 要
在北美，近期以来正面碰撞伤亡事故率在下降但侧面碰撞有呈上升趋势。虽然业界对此原因有一些认识，但却对如何最佳地组建侧面碰撞测试方案以有效地收集数据缺乏共识。不过有一点被广泛认同的是，我们需要在碰撞测试过程中收集更多的数据。 但这一点一直以来由于传感器价格昂贵以及外形尺寸太大而受到限制。
本篇论文将介绍一款硅MEMS设计的微型加速度传感器。该加速计有很好的价格优势而且易于安装在空间有限的位置。本文将在介绍这款产品规格的同时来讨论它的关键特性。
1. 引言
设计并制造适用于全球范围的汽车安全测试对制造商也具有相当的难度。因为这一市场受多个不同组织规范。 例如，UNECE(United Nations Economic Commission for Europe)有个工作组为”The World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations”机动车协调规则世界论坛。 该组织成立于1958年，她的主要目标是制定标准来促进全球贸易。五十多个国家正式承认这个组织。但是在北美，美国有她的联邦机动车安全标准，甚或加拿大有她自己的加拿大机动车安全标准。
那么这就不奇怪为什么当我们在定义特定测试参数的时候各方会存在很大差异。在美国有关侧面碰撞测试情况就是一个例子。国家高速公路交通安全委员会(NHTSA)所用的障碍物要比高速公路安全保险学会(IIHS)的低一英尺。 采用更高障碍物的理由是这样可以更好地说明由SUV一类较高的机动车引发的碰撞情况，而SUV 在北美是非常常见的车辆。
消费者在购买汽车时，常常会以安全等级排名作为决策依据。 因此许多汽车制造商和消费群体作了很多努力来解释测试是如何进行的，以及所得到的结果，来展示其杰出的耐碰撞性能。而IIHS指出从1980-81 到2000-2001，正面碰撞致命事故下降了18%， 而侧面碰撞事故增加了20%。这就使得汽车安全等级更受关注。
汽车测试领域的专家们为了充分理解侧面碰撞运动学，而感到迫切需要增多测试点及测试数量。而实际的财务环境严重阻碍了他们获取足够所需的传感器件资源。 再者侧面碰撞测试的特点决定了传感器的安装位置受限导致常在测试过程中被损坏。这也使得传感器资源成为迫切所需。
2. 特性与规格
Measurement Specialties（MEAS）于一年半以前成立了振动传感器事业部，专门针对此类侧面碰撞测试问题设计低成本，小型化加速计产品系列。直至今日已有十多种加速计在深圳工厂全面投产。
相比于同样用在假人及车身安全测试的其他竞争厂商提供的产品，这些新开发的加速计产品系列价格没有那么昂贵，并且性能更可靠。这里特别值得一提的是52型加速度传感器，这款产品体现了尺寸，性能，及成本上的突破。
侧面碰撞测试较之于正面碰撞具有g值大，频率范围宽的特点，52型号系列则专为侧面碰撞测试而设计。其产品信号线的柔韧性及加速计本身的轻巧性使得安装特别容易，尤其是在对加速计具有破坏性的应用测试场合。这些，再加上低成本的MEMS技术平台，确保这款设计能用于全球汽车安全测试环境，具有与政府及组织的各类规范最广泛的兼容性。
这款第二代硅MEMS器件，尺寸为9.7mm x 4.8mm x 3.3mm，采用双悬臂梁设计。这种设计结构具备低横向灵敏度特性，易于阻尼衰减控制及好的换能特性。顶盖与底盖的特殊结构用于过量程及冲击保护。
这类双悬臂梁结构不存在振铃现象且提供了很好的谐振控制，这是单悬臂梁结构所不具备的优势。产品所用晶元本身的低横向灵敏度特性源于严格控制的MEMS工艺，在后端的封装过程中不再需要复杂的调整来满足横向灵敏度要求。
作为压阻器件，52型号具有低功耗特性。产品桥路输入阻抗高可避免热升温导致零漂，而零漂现象在硅应变片烧结类设计技术中是很常见的。由于设计采用惠斯通全桥结构，零位稳定时间也很快。输入激励电压为2 ~ 12Vdc，并且输入输出成正比。这款设计（图3）经由32AWG 四芯线缆输出较大量值的毫伏信号，每根信号线都有特定颜色标志便于安装及查错。
安装产品时，可将52型号的塑料盖子牢固粘接在测试面上，为达到最佳性能，推荐使用氰基丙烯酸盐粘合剂。此类粘合剂可从Superglue，Loctite，或Krazy Glue购买。安装表面需平整，无树脂、蜡、漆或外来尘粒的残留污染。形成的粘接胶层尽可能薄可得到最佳的频率响应特性。
可以看到52型号有从50g 到2000g四个量程。取决于每个特定量程，频率响应可从400Hz 到7000Hz，谐振频率可从4000Hz 到26000Hz变化。所列值为在24°C(75°F)、100Hz、10Vdc 激励下的典型值。
3. 测试及测试数据
图4所列52系列的规格均为相对保守的典型值。正在进行的一些研究工作显示了这款设计可以具有更高的规格指标如非线性、频响、零位稳定性及横向灵敏度指标。例如，在使用气动冲击台测试2000g量程产品时，线性可达到1.85% / 6000g，3.56% / 7040g。52的耐冲击性能规格界定在5000g 而在同等冲击g值测试下的线性误差为+/-1%。图5所示为冲击测试台。
更多的测试实验发现这一代产品频响在+/-5% 偏差带范围内可达7000Hz。随机测试 5个样品结果显示具有很好的一致性。
再者，52型号产品的零位短期稳定性也非常好。连续测试8个小时，零位平均值为7.536mV而标准方差为0.012mV。最大最小值差异为0.060mV 。随着产量的提高，产品稳定性会得到进一步的监控以确定上下限值。
最后，52横向灵敏度规格保守定义为<3%。表1给出了几个样品的测试数据。图7显示了测试所用的独特设备。该设备产生 13Hz，7~9g的正弦振动，被测产品按感应轴向安装以获得灵敏度值，然后按垂直于感应轴向安装并旋转180度测得横向输出。
当被测产品在测试平台上沿横向灵敏度轴旋转时，所读到的最大输出值即被用来计算横向灵敏度值。这种测试的优点是它是动态的，考虑了垂直于感应轴的所有方向，且在同一台测试设备上测试。这些特点使得横向灵敏度测试结果更准确可靠。
目前52系列已完成工程测试，投产前测试，在深圳工厂进入到正常生产阶段。虽然该产品的设计初衷是面向侧面碰撞测试应用，我们也期望客户端即汽车安全测试市场基于产品优越性 - 低成本、易获得性、宽频带、高精度及冲击保护等 - 在将来能发现其它适合的应用。
转载请注明来源：中国测控网（www.ck365.cn）
