聲—振動(dòng)多功能傳感器減振封裝研究

宮純青 郭俊敏 殷景華 劉曉為

(1.天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350；2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第46研究所，天津 300220；3．哈爾濱理工大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；4．哈爾濱工業(yè)大學(xué)MEMS中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引言

MEMS器件與傳感器經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展已相當(dāng)成熟，目前已有部分產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)，因此裸芯片的價(jià)格可望得到大幅度下降。開發(fā)低成本的封裝方法，滿足MEMS產(chǎn)品封裝的制造成本將成為制約MEMS產(chǎn)品市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。

目前投入使用的戰(zhàn)場(chǎng)傳感器有振動(dòng)傳感器（通過(guò)儀器的拾震裝置來(lái)捕捉人員或車輛活動(dòng)引起的震動(dòng)信號(hào)）、聲傳感器（利用能夠靈敏地接受戰(zhàn)場(chǎng)聲響探測(cè)裝置，分辨?zhèn)刹靺^(qū)域內(nèi)敵方目標(biāo)的性質(zhì)，監(jiān)視其活動(dòng)情況）。

2 傳感器減振部分的計(jì)算機(jī)模擬

2.1 實(shí)體建模

減振模型如圖1所示。

圖1 橡膠減振模型

2.2 改變空腔尺寸及整體高度進(jìn)行模態(tài)分析

模型整體尺寸設(shè)為 8×8×1.5mm，空腔底面邊長(zhǎng) (3.4×3.4mm)不變，增加空腔的高度，模擬結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨空腔高度的增加（質(zhì)量的減?。逃蓄l率在減小。

表1 模型空腔高度和固有頻率的關(guān)系

模型底邊尺寸設(shè)為 8×8，空腔體積不變（3×3×0.58mm），增加空腔上部橡膠的厚度，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，隨模型總體積（質(zhì)量）的增加，固有頻率在減小。

表2 模型空腔上部厚度與固有頻率的關(guān)系

結(jié)果表明：由于振動(dòng)傳感器頻率測(cè)量范圍是0-1kHz的信號(hào)；聲傳感器測(cè)量的主要是人的語(yǔ)音信號(hào)（850Hz左右）。綜合考慮微振動(dòng)-聲多功能傳感器的測(cè)量范圍和模型的減振效果及傳感器本身尺寸的限制，選擇高為1.5mm，空心高為0.8mm、底面邊長(zhǎng)約為3.4mm的模型（固有頻率約為3000Hz），可以滿足減振封裝設(shè)計(jì)的要求。

2.3 模型的靜態(tài)分析

靜態(tài)分析確定橡膠模型上力的分布和模型對(duì)力的承受能力及減振情況。 整體為 8×8×1.5，空腔為 3.4×3.4×0.8 的模型(單位：mm)。

在距底面0.1mm的節(jié)點(diǎn)上加力。表3列出所選節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)與FZ方向的應(yīng)力及載荷力。

表3 選中節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和載荷力與施加力及等效壓強(qiáng)比較

分析表中的數(shù)據(jù)：加在模型底面的應(yīng)力(或力)，傳到上表面后減小，表明整體為 8×8×1.5mm、空腔為 3.4×3.4×0.8mm 的模型具有減振作用；上表面應(yīng)力分布發(fā)生變化，芯片邊緣應(yīng)力增大。

2.4 全瞬態(tài)分析的過(guò)程

瞬態(tài)的分析過(guò)程，束縛芯片上表面，在橡膠下底面施加4.11e-9cos（628t）N（沿 Z 方向）的變力。 拾取 Y=0 軸上、0≤X≤0.004范圍內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，記錄所選節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)和坐標(biāo)。在底面施加4.11e-9cos（6280t）N（沿Z方向）的力。橡膠底面和表面在同一直線的節(jié)點(diǎn)及相應(yīng)的載荷力，如表4所示。

表4 節(jié)點(diǎn)與載荷力

用C表示衰減度，Smax和Smin分別表示底面和頂面載荷力，則由C=(Smax-Smin)×100%/Smax可得到施加載荷頻率與C之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表5所示。結(jié)果表明，頻率越高，橡膠的減振效果越好，這個(gè)結(jié)果和防振橡膠的特征是一致的。

表5 施加載荷頻率與衰減率的關(guān)系

3 結(jié)論

對(duì)模型分別施加100HZ和1000HZ兩種頻率的力進(jìn)行瞬態(tài)分析，即給橡膠墊底部加載一余弦變化力，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，傳遞到橡膠墊與芯片接觸面的力分別減振了98.708%和99.212%，說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)的模型對(duì)頻率大的力減振效果好。

以上這些結(jié)論為微震動(dòng)-聲傳感器的封裝關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)方案的制定提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1]李玉珍.“未來(lái)電子系統(tǒng)可靠性面臨的困難”.《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)》.1999年第3期總第99期

[2]張威 張大成 王陽(yáng)元.“MEMS概況及發(fā)展趨勢(shì)”.《微納電子技術(shù)》.2002年第1期

[3]高尚通.“跨世紀(jì)的微電子封裝”，《半導(dǎo)體情報(bào)》，2000：37（6）：1-7

[4]龔曙光.《ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析》，北京：機(jī)械工業(yè)出版2003.1