Метод оптимизации рабочих характеристик MEMS-акселерометра при различных температурах

Основные положения

Акселерометры — это типичный тип инерциальных датчиков, находящий широкое и важное применение в авиации, космонавтике, навигации, вооружении и гражданской сфере. Однако большие размеры и высокая стоимость традиционных акселерометров ограничивают их применение. С развитием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) появились различные MEMS-акселерометры, отличающиеся малыми размерами, низким энергопотреблением и широким диапазоном применения.

Помимо полностью кремниевой структуры, существуют и другие меры по улучшению общих температурных характеристик MEMS-акселерометров. Во-первых, за счет эффективного снижения теплового напряжения, передаваемого на чувствительную структуру, с помощью метода устранения напряжений, предложенного в предыдущем разделе, улучшаются общие температурные характеристики акселерометра. Во-вторых, благодаря изучению параметров низконапряженного соединения достигается низконапряженная укладка и упаковка MEMS-акселерометров. На основе этого достигается дальнейшее улучшение общих температурных характеристик акселерометра за счет температурной компенсации третьего порядка для смещения акселерометра и масштабного коэффициента.

1. Разработка процесса склеивания с низким уровнем напряжения.

Для уменьшения объема корпуса MEMS-акселерометров в данной работе не используется традиционный метод плоской упаковки двух микросхем. Вместо этого применяется многослойная конструкция корпуса с чувствительными к MEMS структурами и микросхемами специализированных интегральных схем (ASIC), как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Схема корпуса многослойного MEMS-акселерометра.

MEMS-чип приклеивается к нижней пластине керамического трубчатого корпуса с помощью клея, а ASIC-чип приклеивается поверх MEMS-чипа. Они соединяются посредством проволочных соединений и подключаются к корпусу, образуя конечный продукт акселерометра после установки металлического колпачка. В многослойной конструкции корпуса как соединение чувствительной структуры, так и соединение ASIC создают напряжение, которое является важным источником общего напряжения для MEMS-акселерометров.

Напряжения при склеивании влияют на общие температурные характеристики смещения акселерометра и масштабный коэффициент. Для минимизации напряжений в корпусе, вызванных клеевым слоем чувствительных структур ASIC и MEMS, в данной работе создана конечно-элементная модель многослойного корпуса MEMS-акселерометра, как показано на рисунке 2. С помощью конечно-элементного анализа в работе анализируется влияние ключевых параметров процесса, таких как количество и размер точек склеивания, на напряжения при склеивании микросхем MEMS-акселерометра или изменение емкости обнаружения. Понимание взаимосвязи между геометрическими параметрами слоя склеивания и тепловыми напряжениями поможет выбрать оптимальные параметры размеров точек склеивания, тем самым снижая тепловые напряжения в корпусе и улучшая общие температурные характеристики акселерометра.

Рис. 2. Конечно-элементная модель многослойного MEMS-акселерометра.

Во-первых, в исследовании изучается толщина клеевого слоя для соединения микросхем ASIC. Микросхема ASIC приклеивается по всей своей поверхности, при этом толщина клеевого слоя варьируется от 10 мкм до 150 мкм. Затем анализируется максимальное напряжение, испытываемое смоделированной чувствительной структурой акселерометра. Результаты моделирования показаны на рисунке 3.

Как видно из рисунка 3, напряжение остается относительно постоянным, как только толщина клеевого слоя превышает 25 мкм. В реальных процессах склеивания для обеспечения достаточной прочности соединения толщина клеевого слоя для ASIC составляет не менее 25 мкм. Следовательно, в пределах надежного диапазона склеивания параметр толщины клеевого слоя ASIC имеет относительно большой диапазон выбора, оказывая незначительное влияние на термическое напряжение чувствительной структуры акселерометра.

Рис. 3. Кривая влияния толщины адгезионного слоя ASIC на структурное напряжение, чувствительное к акселерометру.

Далее в исследовании изучается влияние распределения и размера точек крепления на напряжение, возникающее при инкапсуляции чувствительной структуры акселерометра. Для определения максимального напряжения в чувствительной структуре акселерометра при заданной форме и размере точек крепления с помощью имитационного анализа были созданы модели различных методов точечного крепления. Результаты моделирования представлены на рисунке 4.

Сравнивая максимальное напряжение при четырех различных методах точечного склеивания, было замечено, что максимальное напряжение в конструкции акселерометра является самым низким при 4-точечном методе склеивания, составляя около 33,202 МПа, в то время как при трех других методах склеивания максимальное напряжение в чувствительной к акселерометру конструкции превышает 33,5 МПа. Поэтому 4-точечный метод склеивания был выбран в качестве метода склеивания чувствительной к акселерометру конструкции. Кроме того, из рисунка 7 видно, что структурное напряжение относительно низкое в диапазоне радиусов точек склеивания от 138 мкм до 206 мкм. Следовательно, при настройке параметров процесса выбор радиуса склеивания для чувствительной конструкции в диапазоне от 138 мкм до 206 мкм не только упрощает контроль процесса склеивания, но и поддерживает напряжение, возникающее при склеивании чувствительной к акселерометру конструкции, в относительно низком диапазоне.

На основе определения четырехточечного клеевого соединения для чувствительной структуры акселерометра и радиуса точки склеивания, для анализа влияния толщины клея на напряжение в чувствительной структуре акселерометра, в качестве эталонного значения принимается напряжение в чувствительной структуре акселерометра до склеивания при комнатной температуре. Параметр толщины клея для четырехточечного клеевого соединения устанавливается в диапазоне от 10 мкм до 150 мкм. При повышении температуры от -40 °C до 60 °C рассчитывается максимальное напряжение в чувствительной структуре акселерометра. На рисунке 8 показана кривая влияния толщины клея на напряжение в структуре акселерометра.

Из рисунка 8 видно, что адгезионное напряжение уменьшается с увеличением толщины адгезионного слоя, и когда толщина превышает 60 мкм, уменьшение адгезионного термического напряжения становится менее значительным. Следовательно, установка толщины адгезионного слоя для чувствительной структуры акселерометра выше 60 мкм позволяет поддерживать напряжение, возникающее при склеивании чувствительной структуры, на относительно низком уровне.

2. Конструкция с температурной компенсацией

Для дальнейшего улучшения общих температурных характеристик акселерометра в данной работе, помимо устранения напряжений в конструкции и использования низконапрягаемых соединений в многослойной упаковке, также моделируются и компенсируются отдельно смещение и масштабный коэффициент акселерометра. Путем моделирования акселерометра для температурных испытаний получены выходные значения датчика температуры, смещение и масштабный коэффициент акселерометра при различных температурах. Затем выполняется полиномиальная аппроксимация отдельно для смещения, масштабного коэффициента и выходных значений датчика температуры акселерометра для получения коэффициентов аппроксимации смещения и масштабного коэффициента.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 — это нулевое смещение акселерометра; p1, p2, p3, p4 — коэффициенты аппроксимации третьего порядка нулевого смещения; T — выходной сигнал датчика температуры акселерометра.

（К1/К1Т）=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

K1 — коэффициент масштабирования акселерометра при нормальной температуре; K1T — коэффициент масштабирования акселерометра в каждой температурной точке; q1, q2, q3 и q4 — коэффициенты аппроксимации третьего порядка для коэффициента масштабирования.

Коэффициенты смещения и коэффициенты масштабного коэффициента записываются в регистр акселерометра для завершения температурной компенсации, диапазон компенсации составляет от -40°C до +60°C.

3. Заключение

MG101 — это высокоточный MEMS-акселерометр, который может применяться в самых разных областях. Он является важным инструментом для измерения вибрации в различных сценариях, включая мониторинг механического оборудования, оценку структурной целостности мостов и плотин, а также проведение испытаний на безопасность. Его применение также распространяется на инерциальные системы наведения, помогая в точной навигации и измерении перегрузок. Акселерометр также используется в интегрированных навигационных системах для обеспечения комплексных решений по позиционированию.