封裝材料對壓阻式加速度傳感器性能的影響＊

李 平，高世橋，金 磊，石云波，2

（1.北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京100081；2.中北大學儀器科學與動態測試技術教育部重點實驗室，山西 太原030051）

高量程加速度傳感器是現代智能武器、侵徹武器等的核心部件之一，通常情況下要求其可以承受幾萬g，甚至幾十萬g沖擊載荷。由于工作環境惡劣，MEMS（Micro electro mechanical systems）高量程加速度傳感器在應用時容易出現結構失效，而由封裝引起的失效是高量程加速度傳感器失效的主要原因之一，如管殼破裂、蓋板凹陷、芯片從管殼基板上脫落以及引線斷裂等問題是封裝中引起高量程加速度傳感器失效的主要因素，同時封裝成本幾乎占整個加速度傳感器成本的70%～80%。因此，封裝對高量程加速度傳感器顯得尤為重要，并且針對出現的問題急需研究出成本較低的、適合于高量程加速度傳感器的封裝方法［1－4］。

針對MEMS傳感器的封裝技術已經做了大量的研究，M.S.Zarnik等［5］研究了封裝工藝過程中殘余應力對壓力傳感器性能的影響，通過有限元模擬得出封裝材料間的熱失配程度將影響到傳感器結構中殘余應力的大小。同時，根據MEMS高量程加速度傳感器的工作環境，文獻［6－8］通過研究得出由于封裝管殼、貼片膠及MEMS結構之間的材料屬性的不匹配引起的殘余應力是影響傳感器性能的主要因素之一；同時封裝管殼材料也是影響MEMS高量程加速度傳感器性能的重要因素，而且MEMS高量程加速度傳感器常用的2種封裝材料分別是陶瓷封裝材料和不銹鋼金屬封裝材料。

雖然關于MEMS高量程加速度傳感器的封裝問題已經做了大量的研究，但有關封裝管殼材料等因素對傳感器性能的影響大都集中在理論分析和數值模擬方面，根據實驗分析封裝材料對高量程加速度傳感器性能的研究較少。在本文中，通過實驗就封裝材料（陶瓷材料和不銹鋼材料）對壓阻式高量程加速度傳感器的封裝致殘余應力、靈敏度、高過載能力及測試精度的影響進行探討。

1 實驗設計

1.1 傳感器的結構與封裝

設計的MEMS壓阻式高量程加速度傳感器基于壓阻效應，結構為梁－質量塊型，如圖1所示，設計量程1.5×105g，抗過載能力2.0×105g。通過分別布置4個壓敏電阻在梁的根部且連成一個惠斯通電橋。加速度作用到傳感器時，壓敏電阻的變化引起惠斯通電橋的電壓變化，進而引起傳感器的輸出。最后，通過體硅加工工藝完成高量程加速度傳感器。

將加工完成后的傳感器結構利用貼片膠（EPO－TEK H70E）粘結固化的方式固定到封裝管殼中，并通過引線鍵合技術實現與信號測試電路的電氣連接。在封裝過程中對傳感器分別使用陶瓷管殼材料和不銹鋼管殼材料進行封裝，封裝完成后的傳感器如圖2所示。

圖1 高量程加速度傳感器的結構Fig.1 The structure of MEMS high－gaccelerometer

圖2 封裝后的高量程加速度傳感器Fig.2 Packaged high－gacelerometer

1.2 高量程加速度傳感器的性能測試

為分析封裝材料不同時傳感器輸出性能的差別，利用拉曼光譜儀在常溫下定量地測量分析傳感器在封裝前后其結構殘余應力和壓敏電阻阻值的變化［9］；壓敏電阻阻值的測試利用HP4140B型探針臺實現；通過馬歇特落錘測試分析傳感器的靈敏度、利用Hopkinson桿測試分析傳感器的高過載能力，并在實彈環境中測試傳感器的測試精度。

2 實驗結果與分析

2.1 封裝管殼材料對傳感器結構殘余應力的影響

由于機械約束和各部件之間熱膨脹系數的不匹配（傳感器芯片、貼片膠及封裝管殼），封裝工藝過程中常常產生熱應力，當封裝完成后，熱應力將以殘余應力的形式繼續滯留在MEMS結構中影響傳感器的輸出特性。對于壓阻式微加速度傳感器而言，其工作原理就是基于梁上應力值的變化，封裝工藝中引起的殘余應力作用到傳感器芯片中時，將影響傳感器結構壓敏電阻布置區域的應力變化，進而導致傳感器有零漂的現象出現，殘余應力過大甚至可能會導致傳感器結構的失效。因此，對于壓阻式高量程加速度傳感器來說，殘余應力的值應盡可能小。

封裝管殼材料是影響結構殘余應力的關鍵因素。對陶瓷材料和不銹鋼材料封裝的高量程加速度傳感器測試其封裝前后傳感器結構殘余應力和壓敏電阻阻值的變化。傳感器所用封裝工藝一致，貼片膠的厚度及量保持一致。利用拉曼光譜儀測試封裝前后傳感器結構中殘余應力的變化，在測試中，分別對3個不同材料封裝的傳感器在同一個壓敏電阻布置區域取6個點分別測試殘余應力σr，并取最后的平均值，測試結果如表1所示。

表1 封裝前后殘余應力的變化Table 1 The residual stress variation before and after the package

分析表1所示的測試結果，陶瓷材料封裝傳感器1、2、3結構中的殘余應力分別增大了31、27和28MPa；同時不銹鋼管殼封裝的傳感器4、5、6芯片的殘余應力分別增大了131、159和166MPa。陶瓷管殼封裝的傳感器結構中的殘余應力變化相對較小。分析其原因，與不銹鋼材料的熱膨脹系數（16×10－6℃－1）相 比，陶 瓷 材 料 的 熱 膨 脹 系 數 （7.5×10－6℃－1）與 硅 材 料 的 熱 膨 脹 系 數（3.1×10－6℃－1）更加匹配，因此在貼片工藝中陶瓷封裝的傳感器芯片中受到的熱應力作用相對較小，則滯留在芯片結構中的殘余應力也相應較小。

殘余應力的變化將直接影響到傳感器芯片壓敏電阻阻值的變化，測試封裝前后芯片壓敏電阻的阻值，結果如表2所示，壓敏電阻阻值的變化與殘余應力有相同的變化規律。由于不銹鋼材料封裝的傳感器的殘余應力更大，因此其壓敏電阻阻值的變化也更大，測試結果顯示不銹鋼封裝的傳感器4、5、6的壓敏電阻阻值在封裝后分別增大了22、24和25Ω，而陶瓷封裝的傳感器1、2、3的壓敏電阻阻值分別增大了8、5和6Ω。

根據測試結果，與不銹鋼材料封裝的壓阻式加速度傳感器相比，陶瓷材料封裝的傳感器結構中的殘余應力更小，引起的壓敏電阻阻值的變化也更小。因此，陶瓷材料更適用于MEMS壓阻式加速度傳感器的封裝。

表2 封裝前后壓敏電阻阻值的變化Table 2 The piezoresistance variation before and after the package

2.2 封裝管殼材料對傳感器輸出性能的影響

對完成貼片工藝的傳感器利用引線鍵合技術實現加速度傳感器與外界信號處理電路的互連。在性能測試中，傳感器的輸出信號放大20倍，基準電壓為1.3V。

2.2.1 靈敏度測試

利用馬歇特落錘分別測試陶瓷材料和不銹鋼材料封裝的高量程加速度傳感器的靈敏度。傳感器通過螺釘剛性安裝在馬歇特落錘錘頭上，通過標準傳感器標定每次測試中作用傳感器上的加速度值。在1.0×105g到3.0×105g的加速度范圍內測試2種不同材料封裝的高量程加速度傳感器的靈敏度，測試結果如圖3所示。

圖3 不同材料封裝的高量程加速度傳感器的靈敏度測試Fig.3 Sensitivity test on the different high－gaccelerometers

通過測試得出，陶瓷封裝的傳感器的靈敏度為0.136 9μV／g，而不銹鋼材料封裝的傳感器的靈敏度為0.294 4μV／g。根據文獻［10］，2種不同材料封裝的高量程加速度傳感器的靈敏度的不同主要由沖擊應力波在陶瓷材料和不銹鋼材料中的傳遞特性不同造成。作用到傳感器上的最大載荷

式中：2πRh為封裝結構參數，R為圓柱形封裝材料的半徑，h為其高度，v0是應力波傳播的速度，ρ為封裝結構密度，ν為傳感器材料泊松比，E是封裝結構彈性模量。在分析中，忽略封裝結構尺寸對最大載荷的影響時，最大載荷與封裝結構材料成正比，由于不銹鋼材料的大于陶瓷材料的，因此，在相同的沖擊加速度作用下，實際作用到不銹鋼管殼封裝的傳感器中的載荷更大，則輸出電壓更大，所以不銹鋼結構封裝的高量程加速度傳感器的靈敏度更大。同時，不銹鋼材料封裝的高量程加速度傳感器能夠更好的響應外界沖擊信號。

2.2.2 高過載能力測試

高量程加速度傳感器的實際應用環境極其惡劣，需要承受住十幾萬g的沖擊加速度并輸出有效信號，因此對高過載能力要求極高。封裝是影響高量程加速度傳感器高過載能力的主要因素之一，其中封裝管殼的材料、外形設計起到主要作用。對不銹鋼和陶瓷封裝的2種高量程加速度傳感器采用Hopkinson桿進行高過載能力測試［11］，測試結果如表3和圖4所示。

表3 不同材料封裝的傳感器的高過載能力測試結果Table 3 The results of anti－overload ability test for sensors packaged with different shell materials

圖4 傳感器高過載能力測試結果Fig.4 The results of anti－overload test under high－gcondition

在沖擊作用下，不銹鋼封裝的高g加速度傳感器在2.12×105g的加速度作用下封裝管殼正常，并有有效電壓信號輸出，如圖4（a）所示；同時，當加速度為1.98×105g時陶瓷封裝的高量程加速度傳感器的管殼塌陷，如圖4（b）所示，根據圖4（b）所示的輸出電壓得出傳感器封裝結構已失效。經過測試得出，不銹鋼封裝的高量程加速度傳感器的可靠性更高，高過載能力更強，說明與陶瓷材料封裝相比，不銹鋼管殼材料更適用于高量程加速度傳感器的封裝。

2.2.3 實彈測試

搭載炮彈實測不同封裝材料的高量程加速度傳感器的可靠性和測試精度。測試系統及測試方法細節如文獻［12］所示，將不同封裝的傳感器同時安裝在炮彈尾部，發射炮彈并通過加速度傳感器測試其膛內過載，最后讀取采集存儲的過載數據與現場實測的數據進行對比分析。測試結果如圖5所示。

陶瓷封裝和不銹鋼封裝的高量程加速度傳感器測試到的膛內過載分別如圖5（a）中左圖所示，可以看出陶瓷封裝高量程加速度傳感器測試時最大過載為7 100g，不銹鋼封裝高量程加速度傳感器測試時最大過載為9 650g。在初始加速和出炮膛階段，可能由于炮彈與炮管的相互作用使得傳感器受到劇烈振動的加速度信號，同時由于2個傳感器的安裝節點不同，造成的響應信號也出現差異。通過對加速度時間信息積分得速度時間信息，如圖5（a）中右圖和圖5（b）中右圖，從中得出陶瓷封裝和不銹鋼封裝的高量程加速度傳感器出膛時的最大速度分別為475、482.6m／s。在測試過程中，現場的高速攝影儀測試到得炮彈出膛的速度為483.6m／s。對比分析傳感器測試到的數據與現場實測數據得到，不銹鋼封裝傳感器的測試誤差為0.26%，而陶瓷封裝傳感器的測試誤差更大，為1.78%。因此，不銹鋼封裝高量程加速度傳感器的測試精度更高，更能準確響應外界加速度信號，與前文中的結論一致。

圖5 不同封裝材料封裝的加速度傳感器的膛內過載測試Fig.5 The projectile test for high－gsensors packaged with different shell materials

3 結 論

通過實驗研究封裝材料對高量程加速度傳感器性能的影響，得出如下結論：封裝材料將主要影響到傳感器結構殘余應力和輸出特性。通過測試對比陶瓷材料和不銹鋼材料封裝的傳感器得出，與陶瓷材料封裝的高量程加速度傳感器相比，不銹鋼材料封裝的高量程加速度傳感器在封裝后結構的殘余應力和壓敏電阻阻值的變化更大。通過對比測試陶瓷和不銹鋼材料封裝的高量程加速度傳感器的性能得出，不銹鋼封裝的高量程加速度傳感器的靈敏度更大，高過載能力更強，并且測試可靠性和精度更高。

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