封裝內氣體對電熱驅動MEMS性能影響的有限元分析

李長安,江 毅,全本慶,楊宇翔,楊明冬

(武漢光迅科技股份有限公司,武漢 430205)

封裝內氣體對電熱驅動MEMS性能影響的有限元分析

李長安*,江 毅,全本慶,楊宇翔,楊明冬

(武漢光迅科技股份有限公司,武漢 430205)

研究了封裝內的氣體對電熱驅動型MEMS的性能的影響。采用有限元分析方法,得出了封裝內充入不同組分的氮氣和氦氣混合氣體時MEMS的溫度場和驅動位移。分析結果表明,隨著封裝內混合氣體中氦氣含量的增加,混合氣體的導熱系數增加,MEMS機械臂上的溫差減小,驅動位移減小。為了提高MEMS性能和保持產品的批量一致性,封裝內作為檢漏用的氦氣的含量在檢漏工藝允許范圍內越少越好,并且保持含量穩定不變。

器件封裝;熱驅動MEMS;氣體含量;有限元分析

電熱驅動MEMS具有體積小、驅動力大、變形大、易于制造等優點[1-2],自從1988年第1個電熱驅動的硅微驅動器被研制出來,電熱驅動MEMS技術得到長足發展,在微工程領域具有廣泛的應用。MEMS器件需要氣密封裝,封裝內充入氮氣,同時充入少量氦氣以方便檢漏。在實際應用中,若管殼內充入過量氦氣,或者氣體發生部分泄露,則在相同的驅動功率下,MEMS的工作效果不同。可見,封裝內氮氣和氦氣的含量對MEMS的穩定性有影響,有必要研究其規律。本文采用有限元分析方法,分析得到了封裝內充入不同組分氣體時MEMS的溫度場和驅動位移與氣體含量的關系,為控制封裝內氣體組分含量提供理論依據。

1 熱驅動MEMS的溫度場及熱變形

1.1 熱驅動MEMS的溫度場

圖1所示為一種常見的彎曲型電熱驅動MEMS,它具有兩個呈一定角度的機械臂,機械臂具有較大的電阻,當電流通過機械臂產生焦耳熱時,機械臂受熱膨脹發生彎曲,驅動其他結構運動。

圖1 電加熱彎曲型MEMS

圖2 機械臂溫度場一維分析模型

電流流過機械臂產生的溫度場可用簡化的一維模型進行分析[3-5]。其電-熱耦合方程為:

(1)

式中:T為機械臂上的溫度,Ts為MEMS基體的溫度,Kp為導熱系數,J為電流,ρ為機械臂電阻率,h為機械臂厚度,Rt為機械臂與MEMS基體之間的熱阻,S是形狀因子。

機械臂電阻率與溫度相關,設Ts溫度下電阻率為ρ0,電阻率溫度系數為ξ,則

R(T)=ρ0[1+ξ(T-Ts)]

Rt由式(2)確定:

(2)

式中:tv,tn,to分別為氣體層、Si3N4層、SiO2層厚度,kv,kn,ko分別為氣體、Si3N4、SiO2的導熱系數。

形狀因子的表達式為:

(3)

式中:w為機械臂的寬度。

求解方程(1),得到機械臂的溫度場為:

(4)

圖3 MEMS加電后的形變

1.2 熱驅動MEMS的驅動位移

若MEMS不受外載荷,加載后形變如圖3所示,通過式(5)求出MEMS的驅動位移[6-7]。

(5)

由式(1)～式(5)可以看出,MEMS周圍氣體的導熱系數,形狀因子會影響機械臂上的溫度場,進而影響驅動位移。對于簡單的線形機械臂,形狀因子是確定的,由式(4)可獲得溫度場,求解方程(5)獲得驅動位移。對于更復雜的MEMS結構,可以借助于有限元分析軟件進行數值求解[8-12]。

2 溫度場和變形的有限元模擬

2.1 有限元模型

如圖4所示的熱驅動MEMS結構,具有3個機械臂,其中第1機械臂和第2機械臂有電流通過,第3機械臂不導電。

圖4 MEMS結構

當施加電流時,第1機械臂和第2機械臂受熱膨脹發生彎曲,驅動第3機械臂發生彎曲,第3機械臂帶動被驅動結構發生垂直方向的位移。MEMS器件被密封于管殼中,管殼中充入不同比例的氮氣和氦氣的混合氣體。

對第1機械臂和第2機械臂施加3V電壓。管殼及MEMS上的熱交換方式為熱傳導。管殼外表面和周圍空氣的換熱方式是自然對流。管殼內部空間狹小,內部混合氣體的換熱方式主要是熱傳導。

機械臂的電阻率隨溫度變化,其表達式為:

ρr(T)=ρ0[1+β(T-Ts)]

(6)

式中:ρ0=2.4×10-3Ω·cm;β=1.25×10-3K-1。

管殼的材料為可伐,MEMS材料為硅。有限元分析所用的材料物性參數如表1所示[13]。

表1 有限元分析中用到的材料參數

混合氣體的導熱系數按式(7)所示的Brokaw經驗公式[14]求得,如圖5所示。

km=akSm+(1-a)kRm

(7)

式中:kSm=x1k1+x2k2

α為常數,隨著雙元混合氣體中輕組分摩爾含量比例而變。

圖5 混合氣體的導熱系數

2.2 溫度場分析結果

采用有限元分析軟件ANSYS進行溫度場求解。得到MEMS溫度場分布如圖6所示。由圖6可以看出,機械臂中央部分溫度最高,且溫度梯度比較大。

圖6 MEMS上的溫度分布

圖7 機械臂上的溫度隨氣體含量變化

不同氮氣和氦氣組合比例下,機械臂上最高溫度和最低溫度如圖7所示。由圖7可以看出,不同氦氣含量下,機械臂的最低溫度差別不大,但最高溫度差別很大。

2.3 驅動位移

將上一節的溫度場分析結果作為輸入載荷進行熱力耦合求解,得到MEMS的熱變形如圖8所示,第3機械臂產生的驅動位移隨氦氣摩爾含量的變化如圖9所示。從圖中可以看出,驅動位移隨著氦氣摩爾含量的增加而顯著降低。

圖8 MEMS的熱變形

圖9 驅動位移隨氣體含量變化

3 結束語

研究了封裝內氮氣-氦氣混合氣體的含量對電熱驅動型MEMS的性能的影響。采用有限元分析方法,分析在不同組分氣體環境下MEMS的溫度場和驅動位移,得出了以下結論:隨著封裝內混合氣體中氦氣含量的增加,混合氣體的導熱系數增加,MEMS機械臂上的溫差減小,驅動位移減小。為了增加MEMS驅動位移,提高其性能,封裝內作為檢漏用的氦氣的含量在檢漏允許范圍內越少越好。為了保持MEMS產品的性能的批量一致性,混合氣體中氮氣與氦氣的含量應該保持穩定不變。

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FEM Analysis of Influence of Insert Packaging Gas Composition onElectrothermal MEMS Device Performance

LIChang’an*,JIANGYi,QUANBenqing,YANGYuxiang,YANGMingdong

(Accelink Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430205,China)

The influence of insert packaging gas composition on electrothermal Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)device performance is studied in this paper. With finite element method,both the temperature field and thermal deformation of the MEMS under different composition of mixed insert packaging gas are obtained. The results show that with the increase of helium content in the mixed gas,the thermal conductivity of the mixed gas increases,the temperature difference on the MEMS arm decreases,and the driven displacement decreases. In order to improve the performance of MEMS device and maintain the consistency of the product,the helium which is used for leak detection should be as less as possible within the requirement of lead detection process,and the content of insert packaging gas should be kept stable.

inside device package;electrothermal MEMS;insert packaging gas composition;finite element analysis

李長安(1983-)，男，通信作者，湖北十堰人。工程師，碩士，主要從事光電器件結構的研究。

2017-01-16 修改日期:2017-04-27

TN405

A

1004-1699(2017)08-1167-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.006