MEMS加速度计的封装建模与粘胶优化
李博洋，孙国良，王帅民，牛昊斌，孙俊杰
【摘 要】随着MEMS加速度计应用领域的逐渐扩大，其工作环境的温度区间跨度也在不断增大，如何降低由封装过程引入的温度漂移量是MEMS加速度计设计的关键。对一种玻璃-硅-玻璃梳齿加速度计的完整封装结构进行了建模，并且对5种粘胶方式进行了热应力形变仿真，对仿真中温度性能最好的远三点粘胶和最差的全面粘胶这两种方式进行了装表与温度系数测试。实测结果表明，远三点粘胶的加速度计温度性能相比全面粘胶提升了2.5倍，与仿真结果相符。 【期刊名称】导航与控制 【年(卷),期】2019(018)004 【总页数】7
【关键词】MEMS加速度计；封装建模；粘胶；热应力
0 引言
经过几十年的飞速发展,MEMS加速度计已经在航空航天、工程机械、消费电子等诸多领域获得了十分广泛的应用[1-3]。由于传感器的工作环境极其恶劣,在航空航天领域,不仅对MEMS加速度计的精度要求高,还对MEMS加速度计的环境适应性有着非常苛刻的要求,尤其是对加速度计的零位温度性能。
MEMS传感器会敏感环境温度的变化,这是因为MEMS器件的刻蚀、键合、粘接固化等工艺装配过程都需要在不同的温度环境下完成。而不同材料的热膨胀系数、泊松比和杨氏模量都不尽相同,所以在MEMS器件内部会有残余应力。这些应力在环境温度变化时会带来器件机械结构的变形,将直接导致输出信号的偏移。西安交通大学的蒋庄德、赵玉龙等对MEMS传感器芯片的封装应力进行
了研究,认为增加粘胶厚度与胶溢出的厚度可以减小封装应力对传感器性能的影响[4]。中国工程物理研究院电子工程研究所、北京航天控制仪器研究所等在加速度计封装中也做了很多创新性的研究。
造成加速度计输出温度漂移的原因主要有3个：1）表头材料热膨胀系数不匹配[5-6]；2）电路有温度系数；3）封装应力[7-8]。本文关注的是封装应力对温度性能的影响,通过COMSOL建模,对不同温度点下表头结构的热应力形变进行了仿真。以仿真结果为指导,对之前使用的全面粘胶与仿真结果最好的远三点粘胶这两种粘胶方式进行了装表测试[9]。远三点粘胶加速度计的温度性能明显优于全面粘胶加速度计,实测结果与仿真结果相符。
1 玻璃-硅-玻璃梳齿加速度计
1.1 加速度计表头的制备工艺
本文所研究的加速度计为梳齿式结构,采用深反应离子刻蚀（Deep Reactive Ion Etching,DRIE）工艺制备。加速度计结构芯片的制备工艺如图1所示,具体的加工流程为：1）在器件层的一侧刻蚀出可动结构所需的间隙；2）将器件层一侧与上玻璃盖板进行键合；3）将器件层的另一侧剪薄；4）在剪薄后的器件层上进行DRIE刻蚀,刻蚀出梳齿加速度计的核心结构；5）通过湿法刻蚀将上玻璃盖板腐蚀出空腔；6）将玻璃盖板与器件层正面键合,完成表头的制备。 1.2 加速度计的结构与工作原理
如图2所示,该加速度计为电容式梳齿加速度计。带有动齿的质量块通过4个弹性筋与锚点相连,并限制质量块与动齿只能在Y方向移动,即限定了该加速度计的敏感轴为Y轴方向。当沿Y轴方向加速度输入时,由Hooke定律与Newton第二定律可知,质量块将沿敏感轴发生位移。单根折叠量刚度计算公式如下
式（1）中,E为硅的杨氏模量,h为弹性梁的厚度,Ws为弹性梁的宽度,Ls为弹性梁的长度。
该位移将改变5个检测电容的电容极板间隙,电容的计算公式为
式（2）中,ε为空气的相对介电系数,ε0为真空介电系数常量,h为梳齿的厚度,Lj为动定梳齿之间的重叠长度,d0为梳齿之间的间距。
电容变化量将通过C/V转换电路与校正网络被转化为与之等比例的电压信号。该电压信号经过反馈回路的力矩器,通过加力电极将反馈力矩施加到质量块上,使质量块重新回到平衡位置。力矩器提供的静电力计算公式如下 式（3）中,V为预载电压。 1.3 加速度计封装
加速度计表头与闭环测试电路封装于陶瓷管壳内,由金属盖板密封,其外形如图3所示。
如图4所示,玻璃-硅-玻璃加速度计表头先通过环氧树脂粘接剂粘在一个陶瓷垫片上,陶瓷垫片再与陶瓷管壳底部通过环氧树脂粘接固定,然后管壳的金属盖板同样通过环氧树脂完成与管壳侧壁的粘接。本文主要针对表头与陶瓷垫片之间的粘胶形式进行了优化设计（图4中的红色箭头位置为粘胶层）。
2 加速度计的封装建模
2.1 加速度计的封装结构
如图5所示,本文基于COMSOL5.3多物理场有限元仿真环境,对该梳齿加速度计底面粘胶封装方式进行了建模。主要使用了固体力学中对线弹性材料热膨胀研究的模块,完成了对加速度计封装结构的简化建模,将陶瓷管壳简化成了最下方的陶瓷平板。为了尽量与实际情况相符,固定约束选为该平板的四个立面。
MEMS加速度计的封装建模与粘胶优化
