灌封技術對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 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051； 2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

灌封技術對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 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051； 2.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

針對惡劣環境下高頻信號的干擾與由封裝引起的結構失效，設計了一種MEMS高g加速度傳感器，通過灌封實現機械濾波，保證封裝的可靠性。根據傳感器封裝工藝，利用ANSYS軟件建立有限元模型，仿真分析了灌封技術對傳感器結構和性能。結果表明:灌封技術可提高傳感器的高過載能力和輸出靈敏度，灌封彈性模量相對較大、密度相對較小的灌封膠可提高傳感器的高過載能力和靈敏度。

高g加速度傳感器； 灌封； 模態頻率； 靈敏度； 高過載

0 引 言

MEMS高g值加速度傳感器主要運用于高速運動的載體在啟動和運行過程中速度變化的測量與控制[1，2]，其應用環境惡劣，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沖擊等作用時不因封裝問題導致傳感器的失效，主要體現在：傳感器封裝結構的強度較高，可以經受住在高g值加速度傳感器抗過載能力范圍內的沖擊作用并能保持完好[3]；貼片強度高，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境的互連強度高，保證傳感器信號能正常的輸出到存儲采集系統中。

封裝是MEMS高g加速度傳感器制造中一個非常重要的環節,對器件的性能和可靠性等都有直接的影響[4～6]。本文針對特殊環境的要求,設計了一種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,并根據灌封工藝的實際環境仿真研究了對加速度傳感器的性能影響。

1 傳感器的結構與工作原理

MEMS高g加速度傳感器結構如圖1所示，量程150 000gn，抗過載能力200 000gn。傳感器結構為梁—島型結構，梁的長度、寬度和質量塊的長寬一致，力敏電阻器對稱分布在梁根部，將布置的4只力敏電阻器連接成惠斯通電橋，很好地抑制了非對稱性結構引起的沿梁長度方向橫向加速度的影響[7]。當有加速度作用到傳感器時，結構梁發生變形，在力敏電阻器的布置區域產生應力作用，引起力敏電阻器的阻值變化，阻值的變化將有相應的電壓輸出。

該傳感器的主要失效方式是斷裂，通過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力，在不改變應力大小的基礎上，避免了梁根部和端部處應力集中、尖銳，從而提高了傳感器的抗過載能力。

圖1 傳感器結構的示意圖

2 灌封技術的仿真研究

高g加速度傳感器在侵徹、沖擊及爆破等環境應用時，作用到傳感器的沖擊信號中往往包含高頻干擾信號[8]，一般情況下需采取一定的方法濾掉這些高頻信號，其中對高g加速度傳感器通過灌封實現機械濾波[9]。通過玻璃—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，再利用灌封技術對作用到傳感器中的沖擊信號中進行機械濾波，以進一步提高封裝后傳感器的可靠性[10]。

封裝體的模態頻率與剛度k和質量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；質量越小，封裝模型的固有頻率越高。根據力學知識，改變灌封膠的彈性模量將影響封裝模型的剛度[11]；對體積一定的灌封膠，質量隨著密度的變化而變化時，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力的變化[12]。通過分析，利用最優材料屬性的灌封膠灌封高g加速度傳感器，以同時提高傳感器的頻響和抗過載能力。

根據高g加速度傳感器的封裝設計，將三層密封的MEMS高g加速度傳感器芯片通過貼片膠粘結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，結構模型的剖面圖如2圖所示。

圖2 傳感器灌封前后的對比圖

3 模擬結果分析

3.1 灌封對傳感器模態振動和模態頻率的影響

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階振動模態，研究灌封對傳感器振動模態的影響，仿真結果分別如圖3、圖4所示，其中設定灌封膠的彈性模量為9 GPa，密度為1 800 kg/m3。

對比分析圖3和圖4中傳感器的前10階陣型得到，傳感器的振動主要表現為封裝管殼的振動。在灌封前后，高g加速度傳感器封裝模型的各階模態的振動方向發生了變化。灌封前，1階模態陣型表現為傳感器工作方向上的振動。灌封后，2階模態陣型才為傳感器工作方向上的振動。因此，灌封能夠改變加速度傳感器的振動模態，進而影響高g加速度傳感器的響應。

圖3 灌封前傳感器的振動模態

圖4 灌封后傳感器的振動模態

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

圖5 灌封膠對封裝模態頻率的影響

根據圖5所示的仿真結果，當灌封膠的彈性模量由0.1 GPa變為20 GPa時，傳感器封裝模型的2階模態頻率從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階模態頻率也隨之增大，與式(1)分析的結論一致。當灌封膠的彈性模量小于1GPa時，模態頻率的變化量較大；但當彈性模量大于1 GPa時，灌封膠彈性模量的變化對封裝體振動頻率的影響趨于緩慢。

對設計的高g加速度傳感器，當工作方向的模態頻率與其它干擾方向的模態頻率相近時，封裝體容易發生共振現象。從圖5中結果分析得出，當灌封膠彈性模量為0.1 GPa時，各階模態頻率幾乎相等，容易引起封裝體的諧振現象；但當灌封膠的彈性模量大于1 GPa時，工作方向的固有頻率與干擾方向的頻率相差增大，因而，消除了引起共振現象的可能性。同時，當灌封膠彈性模量小于1 GPa時，灌封后封裝模型的模態頻率小于未灌封時傳感器模型的模態頻率。因此，當對三層封裝的高g加速度傳感器進行灌封時，應選擇合適的灌封膠以保證灌封不會減小傳感器模型的固有頻率，同時使灌封后傳感器模型的各階模態頻率的相差量盡可能大，以消除諧振現象，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頻率分析，添加適當的灌封膠可提高封裝體整體的固有頻率，封裝體的固有頻率越高，它的抗過載能力越強，同時響應外界信號的速度越快。

3.2 灌封對傳感器靈敏度影響的仿真分析

對傳感器灌封后，灌封膠從四面完全包裹住了傳感器芯片，在沖擊信號的作用下，灌封膠將發生變形，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傳感器結構受到最大應力、應變的變化，仿真結果如圖6所示。

圖6 灌封膠彈性模量對芯片結構的影響

根據仿真結果，隨灌封膠彈性模量的增加，芯片結構的最大應力和應變都先增大后減小，當彈性模量為3 GPa時應力最大，為45.38 MPa。當彈性模量為5 GPa時，應變量最大，為1.245 8×10-6。同時，與灌封前的傳感器結構的應力值相比較，在相同的加速度載荷作用下，灌封可以增大傳感器結構受到的應力，并且,該應力遠小于硅材料的許用應力330 MPa。

分析灌封膠的密度對芯片結構受到應力的影響，從圖7中仿真結果得到，灌封膠的密度與應力、應變呈線性關系，并且隨著灌封膠密度的增大，應力和應變也隨之增大。因此，在相同的加速度作用下，灌封膠的密度越大，傳感器結構受到的應力越大。因此，在硅材料的許用應力范圍內，可通過增大灌封膠密度提高傳感器的輸出量。

圖7 灌封膠的密度對芯片結構的影響

對設計的高g加速度傳感器封裝模型，應選用彈性模量為3 GPa、密度為2 200 kg/m3的灌封膠對封裝模型進行灌封，以提高高g加速度傳感器的輸出量。

3.3 灌封對傳感器高過載能力的影響

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

圖8 灌封膠的材料屬性對封裝模型高過載能力的影響

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

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

圖9 灌封前后傳感器受到的應力的大小

4 結 論

通過仿真研究證明：灌封可改變傳感器的靈敏度和高過載能力。從灌封前后封裝體的各階陣型與模態頻率分析，添加適當的灌封膠可提高封裝體整體的固有頻率，封裝體的固有頻率越高，它的抗過載能力越強，同時響應外界信號的速度越快。傳感器的靈敏度隨灌封膠材料屬性的變化而發生變化，選擇適當的灌封膠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載能力，提高了在惡劣環境中應用時傳感器的可靠性。

[1] Ghisi A,Fachin F,Mariani S,et al.Multi-scale analysis of polysi-licon MEMS sensors subject to accidental drops:Effect of pa-ckaging[J].Microelectronics Reliability, 2009,49:340-349.

[2] Chou T L,Chu C H,Lin C T, et al.Sensitivity analysis of pa-ckaging effect of silicon-based piezoresistive[J].Sensors and Actuators A, 2009,152:29-38.

[3] 石云波,祈曉瑾,劉 俊,等.微型高過載加速度傳感器的加工與測試[J].機械工程學報,2008,44(9):200-203.

[4] Hsu Tai Ran .微機電系統封裝[M].姚 軍,譯.北京:清華大學出版社,2006.

[5] Walwadkar Satyajit S,Cho Junghyun.Evaluation of die stress in MEMS packaging:Experimental and theoretical approaches[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,2006,29(4):735-742.

[6] 李 平,石云波,郭 濤,等.MEMS高g加速度傳感器封裝熱應力的研究[J].傳感技術學報,2010,23(12)：1695-1699.

[7] 鮑愛達，徐曉輝，張英祥,等，微加速度計固有頻率的推導及驗證[J].傳感技術學報，2008，21(6):899-993.

[8] 祁曉瑾.高量程加速度傳感器的設計與測試[D].太原：中北大學,2007.

[9] 黃全平.高量程微機械壓阻式加速度傳感器研究[D] .上海：中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 2002.

[10] Mele L,Morana B,Boer C de .et al.Low-temprature wafer-level packaging of a MEMS microreactor with a lateral feedthrough by local PECVD TEOS deposition[J].Procedia Chemistry, 2009,1:1531-1534.

[11] Li Q,Goosen J F L,Beek J T M van.Failure analysis of a thin-film nitride MEMS package[J].Microelectronics Reliability, 2008,48(7):1557-1561.

[12] 黃衛東,彩 霞,徐步陸，等.封裝對高g值傳感器性能的影響[J].功能材料與器件學報,2002,8(3):251-258.

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

國家自然科學基金資助項目(50535030)

TN 212

A

1000—9787(2015)04—0022—05

李 策(1988-)，男，山西運城人，碩士研究生，研究方向為測試計量技術及儀器、MEMS高g加速度傳感器。