灌封技術(shù)對(duì)MEMS高g加速度傳感器性能影響研究*

李 策, 石云波, 劉 欣

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051； 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

灌封技術(shù)對(duì)MEMS高g加速度傳感器性能影響研究*

李 策1,2, 石云波1,2, 劉 欣1,2

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051； 2.儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

針對(duì)惡劣環(huán)境下高頻信號(hào)的干擾與由封裝引起的結(jié)構(gòu)失效，設(shè)計(jì)了一種MEMS高g加速度傳感器，通過(guò)灌封實(shí)現(xiàn)機(jī)械濾波，保證封裝的可靠性。根據(jù)傳感器封裝工藝，利用ANSYS軟件建立有限元模型，仿真分析了灌封技術(shù)對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)和性能。結(jié)果表明:灌封技術(shù)可提高傳感器的高過(guò)載能力和輸出靈敏度，灌封彈性模量相對(duì)較大、密度相對(duì)較小的灌封膠可提高傳感器的高過(guò)載能力和靈敏度。

高g加速度傳感器； 灌封； 模態(tài)頻率； 靈敏度； 高過(guò)載

0 引 言

MEMS高g值加速度傳感器主要運(yùn)用于高速運(yùn)動(dòng)的載體在啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中速度變化的測(cè)量與控制[1，2]，其應(yīng)用環(huán)境惡劣，因此，封裝的可靠性是最主要的前提，即要保證傳感器在受到?jīng)_擊等作用時(shí)不因封裝問(wèn)題導(dǎo)致傳感器的失效，主要體現(xiàn)在：傳感器封裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度較高，可以經(jīng)受住在高g值加速度傳感器抗過(guò)載能力范圍內(nèi)的沖擊作用并能保持完好[3]；貼片強(qiáng)度高，以保證在高g值的沖擊等作用下傳感器芯片不能從管殼基板上脫落；傳感器芯片與外界環(huán)境的互連強(qiáng)度高，保證傳感器信號(hào)能正常的輸出到存儲(chǔ)采集系統(tǒng)中。

封裝是MEMS高g加速度傳感器制造中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié),對(duì)器件的性能和可靠性等都有直接的影響[4～6]。本文針對(duì)特殊環(huán)境的要求,設(shè)計(jì)了一種MEMS高g加速度傳感器。利用ANSYS建立了傳感器封裝的二維模型,并根據(jù)灌封工藝的實(shí)際環(huán)境仿真研究了對(duì)加速度傳感器的性能影響。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

MEMS高g加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，量程150 000gn，抗過(guò)載能力200 000gn。傳感器結(jié)構(gòu)為梁—島型結(jié)構(gòu)，梁的長(zhǎng)度、寬度和質(zhì)量塊的長(zhǎng)寬一致，力敏電阻器對(duì)稱(chēng)分布在梁根部，將布置的4只力敏電阻器連接成惠斯通電橋，很好地抑制了非對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)引起的沿梁長(zhǎng)度方向橫向加速度的影響[7]。當(dāng)有加速度作用到傳感器時(shí)，結(jié)構(gòu)梁發(fā)生變形，在力敏電阻器的布置區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力作用，引起力敏電阻器的阻值變化，阻值的變化將有相應(yīng)的電壓輸出。

該傳感器的主要失效方式是斷裂，通過(guò)在梁根部和端部這些最易斷裂的部位添加等腰直角棱柱倒角分散最大應(yīng)力，在不改變應(yīng)力大小的基礎(chǔ)上，避免了梁根部和端部處應(yīng)力集中、尖銳，從而提高了傳感器的抗過(guò)載能力。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖

2 灌封技術(shù)的仿真研究

高g加速度傳感器在侵徹、沖擊及爆破等環(huán)境應(yīng)用時(shí)，作用到傳感器的沖擊信號(hào)中往往包含高頻干擾信號(hào)[8]，一般情況下需采取一定的方法濾掉這些高頻信號(hào)，其中對(duì)高g加速度傳感器通過(guò)灌封實(shí)現(xiàn)機(jī)械濾波[9]。通過(guò)玻璃—芯片—玻璃三層封裝密封傳感器芯片后，將封裝體固定到管殼中后，再利用灌封技術(shù)對(duì)作用到傳感器中的沖擊信號(hào)中進(jìn)行機(jī)械濾波，以進(jìn)一步提高封裝后傳感器的可靠性[10]。

封裝體的模態(tài)頻率與剛度k和質(zhì)量m的比值的平方根呈正比，即

(1)

從式(1)中分析得出，提高剛度k可增大封裝模型的固有頻率；質(zhì)量越小，封裝模型的固有頻率越高。根據(jù)力學(xué)知識(shí)，改變灌封膠的彈性模量將影響封裝模型的剛度[11]；對(duì)體積一定的灌封膠，質(zhì)量隨著密度的變化而變化時(shí)，在改變灌封膠的彈性模量和密度的情況下仿真分析封裝模型的固有頻率和應(yīng)力的變化[12]。通過(guò)分析，利用最優(yōu)材料屬性的灌封膠灌封高g加速度傳感器，以同時(shí)提高傳感器的頻響和抗過(guò)載能力。

根據(jù)高g加速度傳感器的封裝設(shè)計(jì)，將三層密封的MEMS高g加速度傳感器芯片通過(guò)貼片膠粘結(jié)的方式固定到封裝管殼中，再用灌封膠灌封封裝管殼的腔體。建立灌封前后傳感器的有限元模型，結(jié)構(gòu)模型的剖面圖如2圖所示。

圖2 傳感器灌封前后的對(duì)比圖

3 模擬結(jié)果分析

3.1 灌封對(duì)傳感器模態(tài)振動(dòng)和模態(tài)頻率的影響

利用ANSYS有限元軟件仿真分析灌封前后傳感器封裝模型的前10階振動(dòng)模態(tài)，研究灌封對(duì)傳感器振動(dòng)模態(tài)的影響，仿真結(jié)果分別如圖3、圖4所示，其中設(shè)定灌封膠的彈性模量為9 GPa，密度為1 800 kg/m3。

對(duì)比分析圖3和圖4中傳感器的前10階陣型得到，傳感器的振動(dòng)主要表現(xiàn)為封裝管殼的振動(dòng)。在灌封前后，高g加速度傳感器封裝模型的各階模態(tài)的振動(dòng)方向發(fā)生了變化。灌封前，1階模態(tài)陣型表現(xiàn)為傳感器工作方向上的振動(dòng)。灌封后，2階模態(tài)陣型才為傳感器工作方向上的振動(dòng)。因此，灌封能夠改變加速度傳感器的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)而影響高g加速度傳感器的響應(yīng)。

圖3 灌封前傳感器的振動(dòng)模態(tài)

圖4 灌封后傳感器的振動(dòng)模態(tài)

根據(jù)分析，灌封膠的材料屬性不同時(shí)傳感器封裝模型的模態(tài)頻率也將不同，分別仿真研究用不同彈性模量和密度的灌封膠對(duì)高g加速度傳感器進(jìn)行灌封時(shí)傳感器的前10階模態(tài)頻率，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 灌封膠對(duì)封裝模態(tài)頻率的影響

根據(jù)圖5所示的仿真結(jié)果，當(dāng)灌封膠的彈性模量由0.1 GPa變?yōu)?0 GPa時(shí)，傳感器封裝模型的2階模態(tài)頻率從45.45 kHz增大到175.55 kHz，因此，隨著灌封膠彈性模量的升高，封裝體的前10階模態(tài)頻率也隨之增大，與式(1)分析的結(jié)論一致。當(dāng)灌封膠的彈性模量小于1GPa時(shí)，模態(tài)頻率的變化量較大；但當(dāng)彈性模量大于1 GPa時(shí)，灌封膠彈性模量的變化對(duì)封裝體振動(dòng)頻率的影響趨于緩慢。

對(duì)設(shè)計(jì)的高g加速度傳感器，當(dāng)工作方向的模態(tài)頻率與其它干擾方向的模態(tài)頻率相近時(shí)，封裝體容易發(fā)生共振現(xiàn)象。從圖5中結(jié)果分析得出，當(dāng)灌封膠彈性模量為0.1 GPa時(shí)，各階模態(tài)頻率幾乎相等，容易引起封裝體的諧振現(xiàn)象；但當(dāng)灌封膠的彈性模量大于1 GPa時(shí)，工作方向的固有頻率與干擾方向的頻率相差增大，因而，消除了引起共振現(xiàn)象的可能性。同時(shí)，當(dāng)灌封膠彈性模量小于1 GPa時(shí)，灌封后封裝模型的模態(tài)頻率小于未灌封時(shí)傳感器模型的模態(tài)頻率。因此，當(dāng)對(duì)三層封裝的高g加速度傳感器進(jìn)行灌封時(shí)，應(yīng)選擇合適的灌封膠以保證灌封不會(huì)減小傳感器模型的固有頻率，同時(shí)使灌封后傳感器模型的各階模態(tài)頻率的相差量盡可能大，以消除諧振現(xiàn)象，提高傳感器的輸出性能。

從灌封前后封裝體的各階陣型和模態(tài)頻率分析，添加適當(dāng)?shù)墓喾饽z可提高封裝體整體的固有頻率，封裝體的固有頻率越高，它的抗過(guò)載能力越強(qiáng)，同時(shí)響應(yīng)外界信號(hào)的速度越快。

3.2 灌封對(duì)傳感器靈敏度影響的仿真分析

對(duì)傳感器灌封后，灌封膠從四面完全包裹住了傳感器芯片，在沖擊信號(hào)的作用下，灌封膠將發(fā)生變形，并直接作用到傳感器芯片上，利用 ANSYS仿真分析在150 000gn的加速度作用下，灌封前后和灌封膠的彈性模量和密度不同時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)受到最大應(yīng)力、應(yīng)變的變化，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 灌封膠彈性模量對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)仿真結(jié)果，隨灌封膠彈性模量的增加，芯片結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和應(yīng)變都先增大后減小，當(dāng)彈性模量為3 GPa時(shí)應(yīng)力最大，為45.38 MPa。當(dāng)彈性模量為5 GPa時(shí)，應(yīng)變量最大，為1.245 8×10-6。同時(shí)，與灌封前的傳感器結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值相比較，在相同的加速度載荷作用下，灌封可以增大傳感器結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力，并且,該應(yīng)力遠(yuǎn)小于硅材料的許用應(yīng)力330 MPa。

分析灌封膠的密度對(duì)芯片結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力的影響，從圖7中仿真結(jié)果得到，灌封膠的密度與應(yīng)力、應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系，并且隨著灌封膠密度的增大，應(yīng)力和應(yīng)變也隨之增大。因此，在相同的加速度作用下，灌封膠的密度越大，傳感器結(jié)構(gòu)受到的應(yīng)力越大。因此，在硅材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，可通過(guò)增大灌封膠密度提高傳感器的輸出量。

圖7 灌封膠的密度對(duì)芯片結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)設(shè)計(jì)的高g加速度傳感器封裝模型，應(yīng)選用彈性模量為3 GPa、密度為2 200 kg/m3的灌封膠對(duì)封裝模型進(jìn)行灌封，以提高高g加速度傳感器的輸出量。

3.3 灌封對(duì)傳感器高過(guò)載能力的影響

通過(guò)仿真分析灌封對(duì)高g傳感器高過(guò)載能力的影響，在分析中給傳感器加載200000gn的沖擊加速度信號(hào)，分析改變灌封膠的彈性模量和密度化時(shí)封裝模型受到的最大應(yīng)力的變化。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 灌封膠的材料屬性對(duì)封裝模型高過(guò)載能力的影響

分析圖8中結(jié)果可得到，在沖擊加速度作用下，封裝模型受到的最大應(yīng)力隨灌封膠彈性模量的增大而減小，并且在0.1～3 GPa的范圍內(nèi)應(yīng)力變化較大，從172 MPa減小到118 MPa，在3～12 GPa的范圍內(nèi)應(yīng)力變化較緩慢；封裝模型受到的最大應(yīng)力值與灌封膠的密度呈線(xiàn)性變化的關(guān)系。分析得出，灌封膠彈性模量、密度較大時(shí)，高g加速度傳感器的高過(guò)載能力更強(qiáng)。

對(duì)未灌封和以灌封膠彈性模量為7 GPa、密度為1 900 kg/m3時(shí)灌封的高g加速度傳感器分別加載200000gn的沖擊加速度載荷信號(hào)，仿真對(duì)比分析灌封前后傳感器受到的最大應(yīng)力值，仿真結(jié)果如圖9所示。灌封前封裝模型受到的最大應(yīng)力為187.978 MPa，當(dāng)灌封后則減小到93.241 MPa。分析仿真結(jié)果，灌封可以提高高g加速度傳感器的高過(guò)載能力，提高了在惡劣環(huán)境中應(yīng)用時(shí)傳感器的可靠性。

圖9 灌封前后傳感器受到的應(yīng)力的大小

4 結(jié) 論

通過(guò)仿真研究證明：灌封可改變傳感器的靈敏度和高過(guò)載能力。從灌封前后封裝體的各階陣型與模態(tài)頻率分析，添加適當(dāng)?shù)墓喾饽z可提高封裝體整體的固有頻率，封裝體的固有頻率越高，它的抗過(guò)載能力越強(qiáng)，同時(shí)響應(yīng)外界信號(hào)的速度越快。傳感器的靈敏度隨灌封膠材料屬性的變化而發(fā)生變化，選擇適當(dāng)?shù)墓喾饽z可提高傳感器的靈敏度。灌封可以提高高g加速度傳感器的高過(guò)載能力，提高了在惡劣環(huán)境中應(yīng)用時(shí)傳感器的可靠性。

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Research on effect of encapsulation on performances

of MEMS high-gacceleration sensor*LI Ce1,2, SHI Yun-bo1,2, LIU Xin1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China，Taiyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

Aiming at interference of high frequency signals in harsh environments and failures caused by package, design a high-gMEMS acceleration sensor which has high reliability by means of encapsulation.According to sensor packaging technology, use ANSYS software to establish finite element models,simulate and analyze structure and encapsulation techniques for sensor performance.The results show that encapsulation technology can improve overload capacity and sensitivity, that is to say, a relatively high elastic modulus and low density of the pouring sealant can be effective for the high-overload-resistance ability and high sensitivity of a MEMS high-gaccelerometer.

high-gacceleration sensor; encapsulation; modal frequency; sensitivity; high-overload

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0022—05

2014—09—03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50535030)

TN 212

A

1000—9787(2015)04—0022—05

李 策(1988-)，男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器、MEMS高g加速度傳感器。