图6.MEMS和机械外壳频率响应的设计目标
在模态激振器上对传感器原型进行测试，该模态激振器提供了一个受控环境，可设置振动试验电压和扫描频率。传感器频率响应的测试结果应与图6所示的MEMS传感器信息相吻合。
模态分析
模态分析是一种便于充分了解外壳振动特性的常用技术。模态分析可以提供设计的固有频率和正常模式（相对变形）。对结构的模态响应进行仿真可使用基于ANSYS或类似程序的有限元方法(FEM)，这样有助于优化设计和减少传感器原型制作的迭代次数。
方程1是单自由度系统模态分析控制方程的简化形式。固有频率与外壳设计的质量矩阵(M)和刚度矩阵(K)有关。方程1提供了一种简单、直观的设计评估方法。如果降低传感器外壳的高度，刚度增大，质量减小，因此，固有频率提高。此外，如果增加外壳的高度，刚度减小，质量增大，固有频率随之降低。
大多数设计都具有多个自由度。有些设计具有数百自由度。利用有限元方法可以快速得出方程1的计算结果，如果采用手动计算则非常耗费时间。
当使用ANSYS模态进行仿真时，固有频率和模式参与因子(MPF)均由求解器输出。MPF用于确定哪些固有频率对于您的设计最为重要。如果MPF相对较高，则意味着设计中可能存在某个特定频率的问题。表3中的示例表明，在仿真中预测到x轴的固有频率为500Hz时，模式为弱激励，不太可能成为问题。在外壳x轴激励800Hz强模式时，如果MEMS敏感轴的方向和外壳x轴的方向一致，这将是个问题。但是，如果设计人员将MEMS传感器PCB的方向定位在外壳的z轴上测量，那么这个x轴的800Hz强模式可能无关紧要。
表3.固有频率(Freq, Hz)、模式参与因子(MPF)和相关轴
10BASE-T1L传感器原型的模态分析
“如何利用模态分析设计出色的振动传感器外壳”一文中详细概述了模态分析。ANSYS作为一种先进高效的工具，可用于分析结构的模态响应，此外了解基础方程将有助于设计。基础方程表明，外壳固有频率会受到材料选择和几何形状的影响。与矩形相比，圆柱形的横截面积更大，其设计更有助于在所有轴上实现更高的刚度和固有频率。与圆柱形相比，矩形提供更多的传感器安装方向和设备连接选项。相关示例和仿真结果请参阅此文。
10BASE-T1L传感器原型采用带宽为1kHz的三轴MEMS传感器(ADXL357)，其设计目标是构建一款支持1kHz以上带宽的外壳。首先构建了一个矩形外壳设计（如图7所示），然后使用ANSYS进行仿真。表4显示了仿真结果，其中固有频率和模式参与因子表明所有三个轴上的带宽至少为6kHz。该设计在x轴表面末端使用M6凸耳。使用这些连接点将确保牢固的设备连接和出色的模态性能。
图7.ADXL357三轴MEMS传感器和ADIN1110 10BASE-T1L MAC-PHY电路的外壳
表4.10BASE-T1L传感器原型的固有频率(Freq, Hz)、模式参与因子(MPF)和相关轴
选择合适的MEMS振动传感器
选择加速度计时，需要注意哪些规格？
虽然目前没有任何官方标准可用于振动传感器的分类，但可以通过这些传感器的有效分辨率划分其类别，如图8所示。很明显，MEMS加速度计的覆盖区域比压电传感器更小。MEMS加速度计适用于许多特定应用领域，例如安全气囊碰撞检测、车辆倾翻检测、机械臂定位、平台稳定、精确倾斜检测等等。MEMS制造商在几年前才开发出足以与IEPE振动传感器抗衡的传感器，因此该技术仍处于起步阶段，有线状态监测(CbM)装置的覆盖范围较小，如图8左侧所示。然而，随着越来越多的MEMS供应商投资开发状态监测振动传感器解决方案，预计未来几年覆盖范围会有所扩增。
