高gn值MEMS加速度傳感器封裝的研究

對一種新型雙懸臂梁高gn 值MEMS加速度傳感器進行有限元模擬。采用雙懸臂梁傳感芯片的一種實際封裝結(jié)構(gòu),進行頻域分析和時域分析,討論封合傳感器芯片和封裝基體的封合材料對其輸出信號的影響。頻域分析表明,封合材料的楊氏模量對封裝后加速度傳感器整體的振動模態(tài)有一定影響,封合膠的楊氏模量很小時,會致使加速度傳感器的信號失真, 模擬表明可選用楊氏模量足夠高的環(huán)氧樹脂類作高gn 值傳感器的封合材料。時域分析靜態(tài)模擬表明,封合材料的楊氏模量,對最大等效應力和沿加載垂直方向的正應力最大最小值基本無影響。時域分析動態(tài)模擬表明,隨著封合材料楊氏模量的提高,動態(tài)模擬輸出的懸臂梁末端節(jié)點位移的波形和其經(jīng)數(shù)字濾波后輸出的信號變好,封合材料的楊氏模量不影響輸出信號的頻率和均值,在加速度脈沖幅值輸入信號變化時,懸臂梁末端位移平均值輸出信號與輸入有良好的線性關系。
高gn 值MEMS 加速度傳感器可應用于商業(yè)、軍事和空間技術等諸多領域,對該器件的研究已十分重視[1～2 ] 。高gn 值加速度計量程高至100 ～200 k gn ,因此不同于一般的加速度計, 必須考慮其封裝在高沖擊下對傳感器性能的影響。Togami 等人采用Hopkinson Bar 加速試驗技術研究了幾種封裝下高gn 傳感器件在沖擊下的失效行為[3 ] 。Davies 等人提出了高gn 值加速度計封裝設計的幾個原則[4 ] 。Tanner 等人就封裝的MEMS 器件在沖擊環(huán)境中的可靠性方面進行了一系列的實驗研究[5 ] 。研究不同封裝結(jié)構(gòu)和材料對器件振動模態(tài)中各階固有頻率及振型的影響, 可以揭示封裝對高沖擊下傳感器性能的影響。高gn 值下的輸出信號與封裝的相關性也需探討。但至今有關研究的報道尚少,然而這些研究可為高gn 值加速度傳感元件的封裝提供設計依據(jù)。用有限元模擬對不同封合材料下封裝的高gn 值傳感器進行頻域分析和時域分析,并討論高gn 值加載下信號輸出的特點。