高gn值MEMS加速度传感器封装的研究

对一种新型双悬臂梁高gn 值MEMS加速度传感器进行有限元模拟。采用双悬臂梁传感芯片的一种实际封装结构,进行频域分析和时域分析,讨论封合传感器芯片和封装基体的封合材料对其输出信号的影响。频域分析表明,封合材料的杨氏模量对封装后加速度传感器整体的振动模态有一定影响,封合胶的杨氏模量很小时,会致使加速度传感器的信号失真, 模拟表明可选用杨氏模量足够高的环氧树脂类作高gn 值传感器的封合材料。时域分析静态模拟表明,封合材料的杨氏模量,对最大等效应力和沿加载垂直方向的正应力最大最小值基本无影响。时域分析动态模拟表明,随着封合材料杨氏模量的提高,动态模拟输出的悬臂梁末端节点位移的波形和其经数字滤波后输出的信号变好,封合材料的杨氏模量不影响输出信号的频率和均值,在加速度脉冲幅值输入信号变化时,悬臂梁末端位移平均值输出信号与输入有良好的线性关系。
高gn 值MEMS 加速度传感器可应用于商业、军事和空间技术等诸多领域,对该器件的研究已十分重视[1～2 ] 。高gn 值加速度计量程高至100 ～200 k gn ,因此不同于一般的加速度计, 必须考虑其封装在高冲击下对传感器性能的影响。Togami 等人采用Hopkinson Bar 加速试验技术研究了几种封装下高gn 传感器件在冲击下的失效行为[3 ] 。Davies 等人提出了高gn 值加速度计封装设计的几个原则[4 ] 。Tanner 等人就封装的MEMS 器件在冲击环境中的可靠性方面进行了一系列的实验研究[5 ] 。研究不同封装结构和材料对器件振动模态中各阶固有频率及振型的影响, 可以揭示封装对高冲击下传感器性能的影响。高gn 值下的输出信号与封装的相关性也需探讨。但至今有关研究的报道尚少,然而这些研究可为高gn 值加速度传感元件的封装提供设计依据。用有限元模拟对不同封合材料下封装的高gn 值传感器进行频域分析和时域分析,并讨论高gn 值加载下信号输出的特点。