Пределы производительности высокоточных MEMS-гироскопов в значительной степени определяются их корпусными решениями, а не только конструкцией чувствительной структуры. Благодаря уникальным свойствам материалов и структурной гибкости керамические корпуса стали предпочтительным выбором для высококачественных инерциальных MEMS-устройств. В настоящее время коммерческие высокопроизводительные MEMS-гироскопы, использующие герметичные керамические корпуса с J-образными выводами, достигают стабильности смещения лучше 0,5°/ч и углового случайного блуждания лучше 0,1°/√ч. Их твердотельная структура обеспечивает среднее время безотказной работы (MTBF) более миллиона часов — до десяти раз больше, чем у динамически настраиваемых гироскопов или волоконно-оптических гироскопов с сопоставимыми характеристиками. Такой уровень производительности обеспечивается глубокой оптимизацией керамического корпуса по трем параметрам: теплоотвод, изоляция напряжений и долговременная стабильность.
Управление тепловыми процессами: керамика как платформа для достижения теплового равновесия.
Ценность керамической упаковки в управлении тепловыми процессами в первую очередь демонстрируется благоприятным соответствием ее коэффициента теплового расширения (КТР) коэффициенту теплового расширения кремния. Хотя КТР керамики из оксида алюминия (приблизительно 7,1 × 10⁻⁶/К) отличается от КТР кремния (2,7 × 10⁻⁶/К), соответствие значительно лучше, чем у пластиковой или металлической упаковки. Что еще более важно, высокая теплопроводность керамики (приблизительно 14 Вт/(м·К)) позволяет быстро рассеивать тепло, выделяемое чувствительной структурой, во внешнюю среду, предотвращая дрейф характеристик, вызванный локальными перегревами.
Анализ методом конечных элементов выявляет отчетливое градиентное распределение напряжений и деформаций внутри микросхемы MEMS-гироскопа: деформация в верхней чувствительной структуре ниже, чем вблизи нижнего интерфейса соединения, а деформация в жестких опорных столбиках и краях чипа ниже, чем в областях полости. Эта закономерность подчеркивает критическое противоречие в управлении тепловыми процессами: хотя упаковочные материалы требуют высокой теплопроводности для достижения теплового равновесия, сам путь теплопроводности может служить каналом для передачи напряжений. Керамическая упаковка решает эту проблему, обеспечивая эффективную теплопроводность и используя конструктивные решения, позволяющие частично снимать тепловые напряжения на уровне корпуса, а не передавать их непосредственно на чувствительную структуру.
Изоляция напряжений: от выбора материалов до проектирования конструкций.
Термические напряжения внутри корпуса являются основным фактором, ограничивающим производительность MEMS-гироскопов. Моделирование и экспериментальные исследования показывают, что степень соответствия коэффициентов теплового расширения (КТР) керамической подложки/клея и кремния, а также модуль Юнга клея напрямую влияют на уровень термических напряжений внутри корпуса. Термические напряжения можно эффективно контролировать, когда клей имеет низкий модуль Юнга, толщина клеевого слоя превышает 60 мкм, а его плоские размеры больше размеров чипа. Основной физический механизм заключается в том, что низкомодульный клеевой слой действует как буферная среда; он поглощает энергию деформации, возникающую из-за несоответствия теплового расширения, за счет собственной деформации, тем самым уменьшая напряжение, передаваемое на чувствительные структуры.
Более совершенные стратегии изоляции напряжений включают многослойные структурные решения. 214-й институт Китайской корпорации «Северная промышленная группа» (NORINCO) предложил схему упаковки с низким уровнем напряжений: кремниевая подложка приклеивается к нижней части керамического корпуса, при этом чувствительная структура MEMS и схема обработки сигнала приклеиваются к кремниевой подложке и электрически соединяются с помощью золотого проволочного соединения. Выступая в качестве переходного слоя, кремниевая подложка имеет коэффициент теплового расширения, идентичный коэффициенту теплового расширения чувствительной структуры, что устраняет проблемы теплового несоответствия, которые возникли бы при прямом контакте между чувствительной структурой и керамической подложкой. На основе этого, использование локализованного пятиточечного метода соединения в сочетании с добавлением в клей стеклянных шариков малого диаметра в качестве буфера может дополнительно снизить воздействие теплового напряжения и повысить устойчивость к высоким перегрузкам.
Международные исследования также подтвердили эффективность аналогичных подходов. Установка эластичной металлической прокладки внутри керамического корпуса позволила значительно подавить температурный дрейф масштабного коэффициента и смещения в гироскопах на основе камертона. Голографическая интерферометрия подтвердила, что деформация чувствительного чипа, непосредственно припаянного к корпусу, более чем в пять раз превышает деформацию чипа, установленного с помощью прокладки. Эта структура прокладки изготавливается из химически протравленной металлической фольги; после нанесения золотого покрытия она припаивается как к сенсорному чипу, так и к керамическому корпусу методом термокомпрессионной сварки, обеспечивая изоляцию напряжений при сохранении стабильности механического соединения.
Долговременная стабильность: поддержание вакуума и контроль газовыделения материала.
Вклад керамической упаковки в долговременную стабильность заключается прежде всего в ее способности поддерживать вакуумную среду в течение длительного периода времени. Добротность (значение Q) MEMS-гироскопа тесно связана с газовым демпфированием внутри полости; снижение значения Q напрямую приводит к ухудшению стабильности смещения и стабильности масштабного коэффициента.
Исследования показывают, что основной причиной снижения добротности (Q-фактора) ранних гироскопов в вакуумной упаковке было непрерывное выделение остаточных газов внутри полости. Анализ характеристик выделения газов из керамических корпусов и металлических крышек с помощью масс-спектрометрии с термопрограммируемой десорбцией (TPD-MS), а также последующий выбор соответствующих геттеров и усовершенствование процесса упаковки позволили увеличить добротность гироскопа до 162 660. Это примерно в четырнадцать раз лучше, чем в более ранних вариантах упаковки, с изменением менее чем на 0,05% в течение года. Эти данные демонстрируют, что долговременная стабильность гироскопа в совокупности определяется скоростью выделения газов из самого керамического материала, долговременной герметичностью герметизирующего интерфейса и эффективностью внутреннего геттера.
Еще одно преимущество керамической упаковки в отношении долговременной стабильности заключается в ее устойчивости к усталости. По сравнению с пластиковой или металлической упаковкой, керамические герметизирующие соединения демонстрируют более медленную скорость деградации в условиях термических циклов. Использование керамической упаковки в GYPRO4300 позволяет ему соответствовать жестким требованиям термических циклов в ответственных областях применения, сохраняя высокую надежность даже в суровых условиях, связанных с резкими колебаниями температуры — это свидетельствует о низкой ползучести и химической инертности керамических материалов.
Вкратце, ценность керамической упаковки для высокоточных MEMS-гироскопов нельзя свести лишь к «выбору материала». Это представляет собой инженерную задачу системного уровня, включающую многофизическое взаимодействие: управление тепловыми процессами требует, чтобы керамическая подложка обладала хорошей теплопроводностью и коэффициентом теплового расширения (КТР), соответствующим кремнию; изоляция напряжений требует многоступенчатых буферных структур, таких как низкомодульные адгезионные слои, кремниевые интерпозеры или металлические промежуточные слои; а долговременная стабильность зависит от комплексной оптимизации свойств керамики, таких как низкая газовыделительная способность, прочность герметизации и технология удержания вакуума. Успех решения с использованием керамической упаковки заключается именно в ее способности достичь баланса по этим трем параметрам — задача, которую часто трудно выполнить одновременно с пластиковой или металлической упаковкой. По мере того, как MEMS-гироскопы приближаются к точности навигационного класса, технологические инновации на уровне упаковки останутся критически важным путем для преодоления узких мест в производительности.
оставить сообщение
Отсканируйте QR-код для отправки в WeChat :
