引言
微机电系统（MEMS）惯性传感器凭借其小型化、低功耗和高精度的优势，已在工业、航空航天和军事领域得到广泛应用，用于检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转以及多自由度运动。然而，在极端条件下，这些传感器可能承受极高的过载冲击，导致结构损坏或功能失效，引发严重的安全问题。因此，增强MEMS惯性传感器的过载耐受性已成为一个至关重要的研究方向。全球高性能MEMS惯性传感器市场预计到2025年将达到50.61亿美元，并在2032年增长至90.57亿美元，凸显了其重要性和发展潜力。
过载条件下MEMS惯性传感器的失效机制
典型过载场景
过载条件因应用场景而异，其中弹丸发射过程中的加速度环境最具代表性。例如，美国军方使用的155毫米榴弹炮发射时，弹丸承受的最大加速度可达15000 g，过载持续时间约18毫秒。能够在此类条件下存活的MEMS惯性传感器被认为具有优异的过载耐受性。
典型MEMS惯性传感器的工作原理
典型的惯性传感器包括加速度计和陀螺仪。加速度计通常包含一个由弹簧支撑的检测质量块，其只能沿预设轴移动以检测该方向的加速度。其工作原理是基于加速度引起的质量块位移，从而改变固定电极与可动电极之间的电容，通过测量电容变化来确定加速度。陀螺仪则包含两个方向的电极，驱动方向的电极静电驱动质量块沿该轴振荡。当施加垂直于平面的角速度时，科里奥利力会在感应方向引起运动，产生位移并改变感应电容，通过测量该电容变化即可计算输入角速度。总之，典型的惯性传感器器件主要由支撑悬臂梁（弹簧）、检测质量块和梳状电极三部分组成。器件的整体过载耐受能力取决于这三部分在过载后的功能和结构完整性。
高过载条件下的失效机制
当过载发生时，惯性力会近似均匀地作用在可动结构上。为了确保结构完整性，过载期间产生的最大内部应力必须低于材料的许用断裂应力极限。然而，当可动结构的位移超过其与固定锚点之间的间隙时，就会发生内部碰撞，产生新的内部冲击力，即“动态冲击力”。该力通常集中在局部接触点，导致峰值应力远高于分布惯性力所产生的应力，从而大大增加了结构损坏或断裂的可能性。大量研究已实验证实，碰撞是过载条件下器件失效的主要原因。因此，增强MEMS惯性传感器过载耐受性的关键在于减轻碰撞对内部结构的影响或避免过载期间的碰撞。
现有的MEMS惯性传感器过载耐受方法
基于对过载条件下工作过程和失效机制的分析，现有的过载耐受方法可根据其防止碰撞的思路分为三类：减缓碰撞冲击、避免结构碰撞以及锁定可动结构。
减缓碰撞引起的结构冲击
对于典型的梳状电容式MEMS惯性传感器，过载期间可动结构与周围固定框架的碰撞是不可避免的。因此，在相同冲击条件下降低最大内部应力是有效途径。具体策略包括：
- 1.
减缓冲击力：通过增加系统谐振频率（即增加弹簧刚度或减小质量块质量），可以降低碰撞瞬间的速度，从而减小动态冲击力。例如，通过杠杆耦合机构改变模态序列，可将同相模式频率提升176%，使内部应力降低约35.5%，实现沿驱动轴2500 g的过载耐受。通过优化悬臂梁尺寸，可将驱动轴过载耐受提升至23000 g。然而，根据灵敏度公式，提高谐振频率会降低结构灵敏度，因此需要在测量精度和过载耐受性之间取得平衡。
- 2.
改变碰撞位置：通过在质量块中心轴附近的固定框架上设置限位器（挡块），使质量块优先与限位器碰撞，可以避免脆弱的梳状电极直接受力，将梳状梁内的集中应力转化为更均匀的应力分布。限位器可分为三类：
- •
刚性接触限位器：主要通过改变碰撞位置起作用，结构简单，但对过载耐受性的提升有限，测试中存活率极低。
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变形缓冲限位器：通常由低刚度梁组成，发生碰撞时产生较大变形，将动能转化为弹性势能，延长减速时间，从而降低动态冲击力。例如，双级弹性限位器设计可使陀螺仪耐受x轴15000 g，y轴14000 g，z轴11000 g的冲击。
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能量耗散或锁存限位器：在碰撞过程中将动能转化为其他形式（如塑性应变能、摩擦热）或将其锁存，进一步降低有效冲击速度。例如，基于焊料的限位器可吸收约90%的碰撞能量，耐受6000 g冲击；碳纳米管阵列限位器通过摩擦耗能，在2100 g冲击下存活率达87.5%。但这些设计相对复杂，且多数只能应对单次过载事件。
- 3.
优化碰撞区域的结构几何形状：通过重新设计结构布局，避免细长结构元件或加厚加宽关键区域（如悬臂梁与质量块或电极的连接处），可以改善应力分布。例如，采用16根均匀分布梁支撑的“三明治”电容加速度计，用质量块上下表面作为动电极取代传统梳齿，显著提高了过载耐受性，可承受10616 g冲击。基于隧道磁阻（TMR）效应的陀螺仪设计避免了脆弱梳齿的使用，仿真显示可耐受驱动轴100000 g的冲击。
- 4.
提高材料断裂强度：使用具有更高断裂强度的材料（如碳化硅，SiC）可以直接提高器件能承受的内部应力上限。例如，SiC制作的双端音叉（DETF）结构在64000 g冲击下仍能存活，并保持高应变灵敏度。然而，这类材料在标准MEMS工艺中的集成存在挑战。
避免结构碰撞
最有效的过载耐受方法是完全避免结构碰撞。这通常需要通过改变传感原理来实现：
- 1.
用压电/压阻传感模式替代电容传感：压电传感器利用加速度引起的机械变形产生电压信号；压阻传感器则利用应变引起的电阻变化。这两种方式均基于结构变形而非位移，极大限制了内部组件的运动，从而避免了机械碰撞。例如，压阻式加速度计可实现高达200000 g的过载耐受，压电式陀螺仪则因其坚固结构而具有良好的抗冲击性。但这类传感器的精度通常较低。
- 2.
用四波腹模式传感替代线性振动模式：采用四波腹振动模式工作的陀螺仪（如振动环陀螺仪，VRG）对机械冲击引起的线性位移极不敏感，因而具有优异的过载耐受性，可耐受15000 g以上的冲击。然而，这种模式的传感精度往往受限。
锁定可动结构
为了解决高精度传感器灵敏度高、结构脆弱与传统过载保护方法难以兼顾的矛盾，有研究提出了捕获保持（TAH）策略。该策略通过附加的驱动机制（如施加直流电压使质量块与上边缘接触）在过载事件发生前主动锁定可动组件，防止位移损伤。过载结束后，撤去电压，传感器恢复正常工作状态。实验表明，该方法可将最大允许加速度从无保护的3 g以下提升至4.5 g。TAH方法通过将传感状态和过载状态解耦，理论上能平衡高精度和高过载耐受性。然而，当前实现方案的过载阈值仍然较低，且辅助结构（驱动器和锁存机构）自身的抗冲击性和可重复使用性仍是实际应用面临的挑战。
展望
对现有MEMS惯性器件及其过载保护策略的分析表明，传统传感器的失效根源在于碰撞产生的峰值内部应力超过材料断裂强度。现有策略各有利弊：减缓碰撞冲击的方法无法完全消除碰撞，对高精度传感器性能提升有限；避免碰撞的方法虽能显著提高过载阈值，但往往以牺牲精度为代价；锁定可动结构的TAH策略提供了解决精度与鲁棒性矛盾的新途径，但现有设计的过载阈值和可靠性仍需大幅提升。
未来突破的关键在于开发能够有效解耦测量精度与结构鲁棒性的创新解决方案。基于TAH原理的传感器系统在许多关键领域展现出应用潜力。同时，智能材料（如形状记忆合金，SMA）在宏观工程中已被用于冲击缓解和自适应结构响应，但其在MEMS尺度过载保护中的应用尚属空白。利用此类材料的本征刺激响应特性（如可逆相变、大可恢复应变）开发能主动适应冲击的惯性传感器，是一个充满前景的未来研究方向。
