Метод оптимизации производительности при полной температуре для акселерометра MEMS

Ключевые моменты

Акселерометры представляют собой типичный тип инерциального датчика, который имеет широкое и важное применение в авиации, аэрокосмической отрасли, навигации, вооружении и гражданской сфере. Однако большой размер и высокая стоимость традиционных акселерометров ограничивают их применение. С развитием технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) появились различные акселерометры МЭМС небольшого размера, с низким энергопотреблением и широким диапазоном применения.

Помимо полностью кремниевой структуры, существуют и другие меры по улучшению общих температурных характеристик акселерометров MEMS. Во-первых, за счет эффективного снижения термического напряжения, передаваемого на чувствительную структуру, с помощью метода устранения напряжения, предложенного в предыдущем разделе, улучшаются общие температурные характеристики акселерометра. Во-вторых, благодаря изучению параметров соединения с низким напряжением достигается штабелирование и упаковка акселерометров МЭМС с низким напряжением. Исходя из этого, дальнейшее улучшение общих температурных характеристик акселерометра достигается за счет температурной компенсации третьего порядка смещения акселерометра и масштабного коэффициента.

1.Проект процесса склеивания с низким напряжением

Чтобы уменьшить объем упаковки акселерометров MEMS, в этой статье не используется традиционный метод плоской упаковки двух чипов. Вместо этого он использует многоуровневую конструкцию корпуса с чувствительными структурами MEMS и микросхемами специализированных интегральных схем (ASIC), как показано на рисунке 1.

Рис.1 Принципиальная схема комплектного пакета акселерометра MEMS

Микросхема MEMS приклеивается к нижней пластине корпуса керамической трубки с помощью клея, а микросхема ASIC приклеивается поверх микросхемы MEMS. Они соединены между собой проволочным соединением и соединены с корпусом упаковки, образуя конечный продукт акселерометра после установки металлического колпачка. В конструкции многослойной упаковки как соединение чувствительной структуры, так и соединение ASIC создают напряжение соединения, которое является важным источником общего напряжения для акселерометров MEMS.

Напряжение соединения влияет на общие температурные характеристики смещения акселерометра и масштабного коэффициента. Чтобы свести к минимуму нагрузку на упаковку, вызванную склеиванием чувствительных структур ASIC и MEMS, в этой статье представлена модель конечных элементов многослойной упаковки акселерометра MEMS, как показано на рисунке 2. С помощью анализа методом конечных элементов в статье анализируется влияние ключевых факторов. параметры процесса, такие как количество соединения и размер точки соединения, влияют на напряжение соединения микросхем акселерометра MEMS или изменение емкости обнаружения. Понимание взаимосвязи между геометрическими параметрами связующего слоя и термическим напряжением поможет выбрать разумные параметры размера точки соединения, тем самым снижая термическое напряжение упаковки и улучшая общие температурные характеристики акселерометра.

Рис.2 Конечно-элементная модель составного пакета акселерометра Mems

Во-первых, в исследовании исследуется толщина клея для склеивания микросхем ASIC. ASIC приклеен по всей поверхности, толщина клея составляет от 10 до 150 мкм. Затем анализируется максимальное напряжение, испытываемое моделируемой чувствительной структурой акселерометра. Результаты моделирования показаны на рисунке 3.

На рисунке 3 видно, что напряжение остается относительно постоянным, когда толщина клея превышает 25 мкм. В реальных процессах соединения, чтобы обеспечить достаточную прочность соединения, толщина клея для соединения ASIC составляет не менее 25 мкм. Таким образом, в пределах диапазона надежного соединения параметр толщины клея ASIC имеет относительно большой диапазон выбора с незначительным влиянием на термическое напряжение чувствительной структуры акселерометра.

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

Далее в исследовании исследуется влияние распределения и размера точек адгезии на напряжение инкапсуляции чувствительной структуры акселерометра. Созданы модели различных методов точечного приклеивания для определения максимального напряжения на чувствительной конструкции акселерометра при заданной форме клея и размере точки клея посредством моделирования моделирования. Результаты моделирования показаны на рисунке 4.

Сравнивая максимальное напряжение при четырех различных методах точечного приклеивания, можно заметить, что максимальное напряжение в конструкции акселерометра является самым низким при четырехточечном методе приклеивания и составляет около 33,202 МПа, в то время как при трех других методах приклеивания максимальное напряжение Чувствительность конструкции акселерометра превышает 33,5 МПа. Поэтому в качестве метода крепления чувствительной конструкции акселерометра выбран метод 4-точечного клея. Кроме того, из рисунка 7 видно, что структурное напряжение относительно невелико в диапазоне радиусов точек склеивания от 138 мкм до 206 мкм. Следовательно, при настройке параметров процесса выбор радиуса клея для чувствительной структуры в диапазоне от 138 мкм до 206 мкм не только снижает сложность управления процессом склеивания, но также удерживает напряжение, возникающее при склеивании чувствительной структуры акселерометра, в относительно низком диапазоне.

На основе определения 4-точечного клеевого соединения чувствительной конструкции акселерометра и радиуса точки клея для анализа влияния толщины клея на напряжение чувствительной конструкции акселерометра принимается напряжение чувствительной конструкции акселерометра перед склеиванием при комнатной температуре. в качестве ссылки. Параметр толщины клея для 4-точечного клеевого соединения устанавливается в пределах от 10 мкм до 150 мкм. При повышении температуры от -40°C до 60°C рассчитывается максимальное напряжение в чувствительной конструкции акселерометра. На рис. 8 представлена кривая влияния толщины клея на напряжение конструкции акселерометра.

На рисунке 8 видно, что напряжение адгезии уменьшается с увеличением толщины клеевого слоя, а когда толщина превышает 60 мкм, снижение термического напряжения клея становится меньшим. Следовательно, установка толщины клея для чувствительной структуры акселерометра выше 60 мкм может удерживать напряжение, возникающее при склеивании чувствительной структуры, на относительно низком уровне.

2. Конструкция температурной компенсации

Чтобы еще больше улучшить общие температурные характеристики акселерометра, в этой статье, помимо проектирования устранения напряжений в структурном проектировании и конструкции соединения с низким напряжением в многослойной упаковке, также отдельно моделируется и компенсируется смещение акселерометра и масштабный коэффициент. Путем моделирования акселерометра для температурных испытаний получаются выходные данные датчика температуры, смещение и масштабный коэффициент акселерометра в различных температурных точках. Затем полиномиальная аппроксимация выполняется отдельно для смещения, масштабного коэффициента и выходного сигнала датчика температуры акселерометра, чтобы получить коэффициенты аппроксимации смещения и коэффициенты аппроксимации масштабного коэффициента.

К0=р1·Т3+р2·Т2+р3Т+р4

K0 – смещение нуля акселерометра; p1, p2, p3, p4 – коэффициенты подгонки третьего порядка нулевого смещения; T — выходной сигнал датчика температуры акселерометра.

（К1/К1Т）=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

К1 — масштабный коэффициент акселерометра при нормальной температуре; K1T — масштабный коэффициент акселерометра в каждой температурной точке; q1, q2, q3 и q4 — коэффициенты аппроксимации масштабного коэффициента третьего порядка,

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

3. Заключение

MG101 — это высокоточный MEMS-акселерометр, MG101 можно применять во многих областях. Это важный инструмент для измерения вибрации в различных сценариях, включая мониторинг механического оборудования, оценку структурной целостности мостов и плотин и проведение испытаний на безопасность. Его применение также распространяется на инерциальные системы наведения, способствующие точной навигации и измерению перегрузок. Акселерометр также используется в интегрированных навигационных системах для обеспечения комплексных решений позиционирования.