封裝對高量程MEMS加速度傳感器性能的影響

2017-06-05 12:51:52諶福華高智浩王明偉

電子技術與軟件工程 2017年7期

諶福華+高智浩+王明偉

摘要高g值加速度傳感器可用于鉆地武器，通常以每秒幾千英尺的速度鉆入地面、混凝土、巖石或其他的堅硬物質，所用的加速度傳感器既要抗擊如此苛刻的工作環境，又有快速響應沖擊與鉆入的整個過程。因此，鉆到武器用加速度傳感器要有很寬的測量范圍、耐受高沖擊且頻率響應高。高量程MEMS加速度傳感器是測量高沖擊過程的核心器件。本文對一種梁膜結構壓阻式MEMS加速度傳感器的封裝進行了系統研究，討論了使用不同材料管殼封裝后，對器件性能的影響。

【關鍵詞】封裝傳感器性能

1 動力學模型

加速度傳感器盡管原理結構不盡相同，但是它們都有一個共同點，那就是傳感器芯體都固定在管殼上，傳感器內部都有一個質量塊，質量塊都通過彈簧或其它彈性體與傳感器底座相連，振動體的絕對運動通過彈簧帶動質量塊與底座之間產生相對運動，其相對運動受到傳感器內阻尼器的阻尼作用，這樣一個由質量塊-彈簧-阻尼器構成的運動系統認為是一個彈簧質量塊系統，如圖1所示。

從經典的二階系統模型我們可以得知，當阻尼系數為0.707時，傳感器具有最平坦的幅頻響應特性和近似最優的線性響應特性，如圖2所示，但事實上，大多數實際使用的傳感器的阻尼都不是0.707，為了減少動態誤差和擴大頻率范圍，通常采用提高傳感器的固有頻率提高，以此提高傳感器的動態性能。

2 加速度計芯片的振型分析

所封裝的加速度計是一種梁膜結構的高量程MEMS加速度傳感器，如圖3所示。通過背面KOH腐蝕和正面刻蝕形成加速度結構，如圖3所示，設計量程為10萬g，加速度傳感器的敏感方向垂直硅平面。當加速度傳感器感受到加速度時，敏感梁彎曲，梁根部的壓敏電阻條阻值發生變化，通過壓阻效應和惠斯通全橋便有相應的電壓輸出。當一個結構系統設計用于動態載荷條件之下時，系統的固有頻率和相應的振型是很重要的參數，它們代表了系統的振動特性。這些參數需要通過對該系統進行模態分析而獲得。通過約束芯片支撐梁不動，使用Ansys軟件對裸芯片進行模態分析，第1階模態為兩根懸臂梁在敏感方向（Z方向）的振動，模態頻率均為56kHz。

3 封裝結構的模態分析

加速度計封裝結構的示意圖如4所示。使用鋁合金材料，彈性模量較高，首先建立封裝加速度計的幾何模型，然后用8節點的六面體單元SOLID45進行網格劃分得到有限元模型。封裝器件在沖擊環境中使用時，芯體感受到Z軸方向的應力波。所以，我們感興趣的主要是Z方向（管殼高度方向）的振動，共振頻率121KHZ。

4 封裝后的振動模態分析

加速度計與管殼粘接到一起，加上蓋板后進行仿真分析，其中一階模態振動頻率是51KHZ，示意圖如圖5所示，與傳感器芯體振動頻率接近，振型和芯體振型接近。

5 結論

對高量程MEMS加速度計的封裝結構進行了模態分析，得出如下結論；安裝固有頻率主要取決于傳感器芯體頻率和管殼本身頻率，管殼頻率越高，安裝固有頻率越接近芯體固有頻率。

參考文獻

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