灌封技术对MEMS高g加速度传感器性能影响研究*

李 策, 石云波, 刘 欣

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051； 2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

灌封技术对MEMS高g加速度传感器性能影响研究*

李 策1,2, 石云波1,2, 刘 欣1,2

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051； 2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

针对恶劣环境下高频信号的干扰与由封装引起的结构失效，设计了一种MEMS高g加速度传感器，通过灌封实现机械滤波，保证封装的可靠性。根据传感器封装工艺，利用ANSYS软件建立有限元模型，仿真分析了灌封技术对传感器结构和性能。结果表明:灌封技术可提高传感器的高过载能力和输出灵敏度，灌封弹性模量相对较大、密度相对较小的灌封胶可提高传感器的高过载能力和灵敏度。

高g加速度传感器； 灌封； 模态频率； 灵敏度； 高过载

0 引 言

MEMS高g值加速度传感器主要运用于高速运动的载体在启动和运行过程中速度变化的测量与控制[1，2]，其应用环境恶劣，因此，封装的可靠性是最主要的前提，即要保证传感器在受到冲击等作用时不因封装问题导致传感器的失效，主要体现在：传感器封装结构的强度较高，可以经受住在高g值加速度传感器抗过载能力范围内的冲击作用并能保持完好[3]；贴片强度高，以保证在高g值的冲击等作用下传感器芯片不能从管壳基板上脱落；传感器芯片与外界环境的互连强度高，保证传感器信号能正常的输出到存储采集系统中。

封装是MEMS高g加速度传感器制造中一个非常重要的环节,对器件的性能和可靠性等都有直接的影响[4～6]。本文针对特殊环境的要求,设计了一种MEMS高g加速度传感器。利用ANSYS建立了传感器封装的二维模型,并根据灌封工艺的实际环境仿真研究了对加速度传感器的性能影响。

1 传感器的结构与工作原理

MEMS高g加速度传感器结构如图1所示，量程150 000gn，抗过载能力200 000gn。传感器结构为梁—岛型结构，梁的长度、宽度和质量块的长宽一致，力敏电阻器对称分布在梁根部，将布置的4只力敏电阻器连接成惠斯通电桥，很好地抑制了非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响[7]。当有加速度作用到传感器时，结构梁发生变形，在力敏电阻器的布置区域产生应力作用，引起力敏电阻器的阻值变化，阻值的变化将有相应的电压输出。

该传感器的主要失效方式是断裂，通过在梁根部和端部这些最易断裂的部位添加等腰直角棱柱倒角分散最大应力，在不改变应力大小的基础上，避免了梁根部和端部处应力集中、尖锐，从而提高了传感器的抗过载能力。

图1 传感器结构的示意图

2 灌封技术的仿真研究

高g加速度传感器在侵彻、冲击及爆破等环境应用时，作用到传感器的冲击信号中往往包含高频干扰信号[8]，一般情况下需采取一定的方法滤掉这些高频信号，其中对高g加速度传感器通过灌封实现机械滤波[9]。通过玻璃—芯片—玻璃三层封装密封传感器芯片后，将封装体固定到管壳中后，再利用灌封技术对作用到传感器中的冲击信号中进行机械滤波，以进一步提高封装后传感器的可靠性[10]。

封装体的模态频率与刚度k和质量m的比值的平方根呈正比，即

(1)

从式(1)中分析得出，提高刚度k可增大封装模型的固有频率；质量越小，封装模型的固有频率越高。根据力学知识，改变灌封胶的弹性模量将影响封装模型的刚度[11]；对体积一定的灌封胶，质量随着密度的变化而变化时，在改变灌封胶的弹性模量和密度的情况下仿真分析封装模型的固有频率和应力的变化[12]。通过分析，利用最优材料属性的灌封胶灌封高g加速度传感器，以同时提高传感器的频响和抗过载能力。

根据高g加速度传感器的封装设计，将三层密封的MEMS高g加速度传感器芯片通过贴片胶粘结的方式固定到封装管壳中，再用灌封胶灌封封装管壳的腔体。建立灌封前后传感器的有限元模型，结构模型的剖面图如2图所示。

图2 传感器灌封前后的对比图

3 模拟结果分析

3.1 灌封对传感器模态振动和模态频率的影响

利用ANSYS有限元软件仿真分析灌封前后传感器封装模型的前10阶振动模态，研究灌封对传感器振动模态的影响，仿真结果分别如图3、图4所示，其中设定灌封胶的弹性模量为9 GPa，密度为1 800 kg/m3。

对比分析图3和图4中传感器的前10阶阵型得到，传感器的振动主要表现为封装管壳的振动。在灌封前后，高g加速度传感器封装模型的各阶模态的振动方向发生了变化。灌封前，1阶模态阵型表现为传感器工作方向上的振动。灌封后，2阶模态阵型才为传感器工作方向上的振动。因此，灌封能够改变加速度传感器的振动模态，进而影响高g加速度传感器的响应。

图3 灌封前传感器的振动模态

图4 灌封后传感器的振动模态

根据分析，灌封胶的材料属性不同时传感器封装模型的模态频率也将不同，分别仿真研究用不同弹性模量和密度的灌封胶对高g加速度传感器进行灌封时传感器的前10阶模态频率，仿真结果如图5所示。

图5 灌封胶对封装模态频率的影响

根据图5所示的仿真结果，当灌封胶的弹性模量由0.1 GPa变为20 GPa时，传感器封装模型的2阶模态频率从45.45 kHz增大到175.55 kHz，因此，随着灌封胶弹性模量的升高，封装体的前10阶模态频率也随之增大，与式(1)分析的结论一致。当灌封胶的弹性模量小于1GPa时，模态频率的变化量较大；但当弹性模量大于1 GPa时，灌封胶弹性模量的变化对封装体振动频率的影响趋于缓慢。

对设计的高g加速度传感器，当工作方向的模态频率与其它干扰方向的模态频率相近时，封装体容易发生共振现象。从图5中结果分析得出，当灌封胶弹性模量为0.1 GPa时，各阶模态频率几乎相等，容易引起封装体的谐振现象；但当灌封胶的弹性模量大于1 GPa时，工作方向的固有频率与干扰方向的频率相差增大，因而，消除了引起共振现象的可能性。同时，当灌封胶弹性模量小于1 GPa时，灌封后封装模型的模态频率小于未灌封时传感器模型的模态频率。因此，当对三层封装的高g加速度传感器进行灌封时，应选择合适的灌封胶以保证灌封不会减小传感器模型的固有频率，同时使灌封后传感器模型的各阶模态频率的相差量尽可能大，以消除谐振现象，提高传感器的输出性能。

从灌封前后封装体的各阶阵型和模态频率分析，添加适当的灌封胶可提高封装体整体的固有频率，封装体的固有频率越高，它的抗过载能力越强，同时响应外界信号的速度越快。

3.2 灌封对传感器灵敏度影响的仿真分析

对传感器灌封后，灌封胶从四面完全包裹住了传感器芯片，在冲击信号的作用下，灌封胶将发生变形，并直接作用到传感器芯片上，利用 ANSYS仿真分析在150 000gn的加速度作用下，灌封前后和灌封胶的弹性模量和密度不同时传感器结构受到最大应力、应变的变化，仿真结果如图6所示。

图6 灌封胶弹性模量对芯片结构的影响

根据仿真结果，随灌封胶弹性模量的增加，芯片结构的最大应力和应变都先增大后减小，当弹性模量为3 GPa时应力最大，为45.38 MPa。当弹性模量为5 GPa时，应变量最大，为1.245 8×10-6。同时，与灌封前的传感器结构的应力值相比较，在相同的加速度载荷作用下，灌封可以增大传感器结构受到的应力，并且,该应力远小于硅材料的许用应力330 MPa。

分析灌封胶的密度对芯片结构受到应力的影响，从图7中仿真结果得到，灌封胶的密度与应力、应变呈线性关系，并且随着灌封胶密度的增大，应力和应变也随之增大。因此，在相同的加速度作用下，灌封胶的密度越大，传感器结构受到的应力越大。因此，在硅材料的许用应力范围内，可通过增大灌封胶密度提高传感器的输出量。

图7 灌封胶的密度对芯片结构的影响

对设计的高g加速度传感器封装模型，应选用弹性模量为3 GPa、密度为2 200 kg/m3的灌封胶对封装模型进行灌封，以提高高g加速度传感器的输出量。

3.3 灌封对传感器高过载能力的影响

通过仿真分析灌封对高g传感器高过载能力的影响，在分析中给传感器加载200000gn的冲击加速度信号，分析改变灌封胶的弹性模量和密度化时封装模型受到的最大应力的变化。仿真结果如图8所示。

图8 灌封胶的材料属性对封装模型高过载能力的影响

分析图8中结果可得到，在冲击加速度作用下，封装模型受到的最大应力随灌封胶弹性模量的增大而减小，并且在0.1～3 GPa的范围内应力变化较大，从172 MPa减小到118 MPa，在3～12 GPa的范围内应力变化较缓慢；封装模型受到的最大应力值与灌封胶的密度呈线性变化的关系。分析得出，灌封胶弹性模量、密度较大时，高g加速度传感器的高过载能力更强。

对未灌封和以灌封胶弹性模量为7 GPa、密度为1 900 kg/m3时灌封的高g加速度传感器分别加载200000gn的冲击加速度载荷信号，仿真对比分析灌封前后传感器受到的最大应力值，仿真结果如图9所示。灌封前封装模型受到的最大应力为187.978 MPa，当灌封后则减小到93.241 MPa。分析仿真结果，灌封可以提高高g加速度传感器的高过载能力，提高了在恶劣环境中应用时传感器的可靠性。

图9 灌封前后传感器受到的应力的大小

4 结 论

通过仿真研究证明：灌封可改变传感器的灵敏度和高过载能力。从灌封前后封装体的各阶阵型与模态频率分析，添加适当的灌封胶可提高封装体整体的固有频率，封装体的固有频率越高，它的抗过载能力越强，同时响应外界信号的速度越快。传感器的灵敏度随灌封胶材料属性的变化而发生变化，选择适当的灌封胶可提高传感器的灵敏度。灌封可以提高高g加速度传感器的高过载能力，提高了在恶劣环境中应用时传感器的可靠性。

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Research on effect of encapsulation on performances

of MEMS high-gacceleration sensor*LI Ce1,2, SHI Yun-bo1,2, LIU Xin1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China，Taiyuan 030051,China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China)

Aiming at interference of high frequency signals in harsh environments and failures caused by package, design a high-gMEMS acceleration sensor which has high reliability by means of encapsulation.According to sensor packaging technology, use ANSYS software to establish finite element models,simulate and analyze structure and encapsulation techniques for sensor performance.The results show that encapsulation technology can improve overload capacity and sensitivity, that is to say, a relatively high elastic modulus and low density of the pouring sealant can be effective for the high-overload-resistance ability and high sensitivity of a MEMS high-gaccelerometer.

high-gacceleration sensor; encapsulation; modal frequency; sensitivity; high-overload

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0022—05

2014—09—03

国家自然科学基金资助项目(50535030)

TN 212

A

1000—9787(2015)04—0022—05

李 策(1988-)，男，山西运城人，硕士研究生，研究方向为测试计量技术及仪器、MEMS高g加速度传感器。