封装材料对压阻式加速度传感器性能的影响＊

李 平，高世桥，金 磊，石云波，2

（1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081；2.中北大学仪器科学与动态测试技术教育部重点实验室，山西 太原030051）

高量程加速度传感器是现代智能武器、侵彻武器等的核心部件之一，通常情况下要求其可以承受几万g，甚至几十万g冲击载荷。由于工作环境恶劣，MEMS（Micro electro mechanical systems）高量程加速度传感器在应用时容易出现结构失效，而由封装引起的失效是高量程加速度传感器失效的主要原因之一，如管壳破裂、盖板凹陷、芯片从管壳基板上脱落以及引线断裂等问题是封装中引起高量程加速度传感器失效的主要因素，同时封装成本几乎占整个加速度传感器成本的70%～80%。因此，封装对高量程加速度传感器显得尤为重要，并且针对出现的问题急需研究出成本较低的、适合于高量程加速度传感器的封装方法［1－4］。

针对MEMS传感器的封装技术已经做了大量的研究，M.S.Zarnik等［5］研究了封装工艺过程中残余应力对压力传感器性能的影响，通过有限元模拟得出封装材料间的热失配程度将影响到传感器结构中残余应力的大小。同时，根据MEMS高量程加速度传感器的工作环境，文献［6－8］通过研究得出由于封装管壳、贴片胶及MEMS结构之间的材料属性的不匹配引起的残余应力是影响传感器性能的主要因素之一；同时封装管壳材料也是影响MEMS高量程加速度传感器性能的重要因素，而且MEMS高量程加速度传感器常用的2种封装材料分别是陶瓷封装材料和不锈钢金属封装材料。

虽然关于MEMS高量程加速度传感器的封装问题已经做了大量的研究，但有关封装管壳材料等因素对传感器性能的影响大都集中在理论分析和数值模拟方面，根据实验分析封装材料对高量程加速度传感器性能的研究较少。在本文中，通过实验就封装材料（陶瓷材料和不锈钢材料）对压阻式高量程加速度传感器的封装致残余应力、灵敏度、高过载能力及测试精度的影响进行探讨。

1 实验设计

1.1 传感器的结构与封装

设计的MEMS压阻式高量程加速度传感器基于压阻效应，结构为梁－质量块型，如图1所示，设计量程1.5×105g，抗过载能力2.0×105g。通过分别布置4个压敏电阻在梁的根部且连成一个惠斯通电桥。加速度作用到传感器时，压敏电阻的变化引起惠斯通电桥的电压变化，进而引起传感器的输出。最后，通过体硅加工工艺完成高量程加速度传感器。

将加工完成后的传感器结构利用贴片胶（EPO－TEK H70E）粘结固化的方式固定到封装管壳中，并通过引线键合技术实现与信号测试电路的电气连接。在封装过程中对传感器分别使用陶瓷管壳材料和不锈钢管壳材料进行封装，封装完成后的传感器如图2所示。

图1 高量程加速度传感器的结构Fig.1 The structure of MEMS high－gaccelerometer

图2 封装后的高量程加速度传感器Fig.2 Packaged high－gacelerometer

1.2 高量程加速度传感器的性能测试

为分析封装材料不同时传感器输出性能的差别，利用拉曼光谱仪在常温下定量地测量分析传感器在封装前后其结构残余应力和压敏电阻阻值的变化［9］；压敏电阻阻值的测试利用HP4140B型探针台实现；通过马歇特落锤测试分析传感器的灵敏度、利用Hopkinson杆测试分析传感器的高过载能力，并在实弹环境中测试传感器的测试精度。

2 实验结果与分析

2.1 封装管壳材料对传感器结构残余应力的影响

由于机械约束和各部件之间热膨胀系数的不匹配（传感器芯片、贴片胶及封装管壳），封装工艺过程中常常产生热应力，当封装完成后，热应力将以残余应力的形式继续滞留在MEMS结构中影响传感器的输出特性。对于压阻式微加速度传感器而言，其工作原理就是基于梁上应力值的变化，封装工艺中引起的残余应力作用到传感器芯片中时，将影响传感器结构压敏电阻布置区域的应力变化，进而导致传感器有零漂的现象出现，残余应力过大甚至可能会导致传感器结构的失效。因此，对于压阻式高量程加速度传感器来说，残余应力的值应尽可能小。

封装管壳材料是影响结构残余应力的关键因素。对陶瓷材料和不锈钢材料封装的高量程加速度传感器测试其封装前后传感器结构残余应力和压敏电阻阻值的变化。传感器所用封装工艺一致，贴片胶的厚度及量保持一致。利用拉曼光谱仪测试封装前后传感器结构中残余应力的变化，在测试中，分别对3个不同材料封装的传感器在同一个压敏电阻布置区域取6个点分别测试残余应力σr，并取最后的平均值，测试结果如表1所示。

表1 封装前后残余应力的变化Table 1 The residual stress variation before and after the package

分析表1所示的测试结果，陶瓷材料封装传感器1、2、3结构中的残余应力分别增大了31、27和28MPa；同时不锈钢管壳封装的传感器4、5、6芯片的残余应力分别增大了131、159和166MPa。陶瓷管壳封装的传感器结构中的残余应力变化相对较小。分析其原因，与不锈钢材料的热膨胀系数（16×10－6℃－1）相 比，陶 瓷 材 料 的 热 膨 胀 系 数 （7.5×10－6℃－1）与 硅 材 料 的 热 膨 胀 系 数（3.1×10－6℃－1）更加匹配，因此在贴片工艺中陶瓷封装的传感器芯片中受到的热应力作用相对较小，则滞留在芯片结构中的残余应力也相应较小。

残余应力的变化将直接影响到传感器芯片压敏电阻阻值的变化，测试封装前后芯片压敏电阻的阻值，结果如表2所示，压敏电阻阻值的变化与残余应力有相同的变化规律。由于不锈钢材料封装的传感器的残余应力更大，因此其压敏电阻阻值的变化也更大，测试结果显示不锈钢封装的传感器4、5、6的压敏电阻阻值在封装后分别增大了22、24和25Ω，而陶瓷封装的传感器1、2、3的压敏电阻阻值分别增大了8、5和6Ω。

根据测试结果，与不锈钢材料封装的压阻式加速度传感器相比，陶瓷材料封装的传感器结构中的残余应力更小，引起的压敏电阻阻值的变化也更小。因此，陶瓷材料更适用于MEMS压阻式加速度传感器的封装。

表2 封装前后压敏电阻阻值的变化Table 2 The piezoresistance variation before and after the package

2.2 封装管壳材料对传感器输出性能的影响

对完成贴片工艺的传感器利用引线键合技术实现加速度传感器与外界信号处理电路的互连。在性能测试中，传感器的输出信号放大20倍，基准电压为1.3V。

2.2.1 灵敏度测试

利用马歇特落锤分别测试陶瓷材料和不锈钢材料封装的高量程加速度传感器的灵敏度。传感器通过螺钉刚性安装在马歇特落锤锤头上，通过标准传感器标定每次测试中作用传感器上的加速度值。在1.0×105g到3.0×105g的加速度范围内测试2种不同材料封装的高量程加速度传感器的灵敏度，测试结果如图3所示。

图3 不同材料封装的高量程加速度传感器的灵敏度测试Fig.3 Sensitivity test on the different high－gaccelerometers

通过测试得出，陶瓷封装的传感器的灵敏度为0.136 9μV／g，而不锈钢材料封装的传感器的灵敏度为0.294 4μV／g。根据文献［10］，2种不同材料封装的高量程加速度传感器的灵敏度的不同主要由冲击应力波在陶瓷材料和不锈钢材料中的传递特性不同造成。作用到传感器上的最大载荷

式中：2πRh为封装结构参数，R为圆柱形封装材料的半径，h为其高度，v0是应力波传播的速度，ρ为封装结构密度，ν为传感器材料泊松比，E是封装结构弹性模量。在分析中，忽略封装结构尺寸对最大载荷的影响时，最大载荷与封装结构材料成正比，由于不锈钢材料的大于陶瓷材料的，因此，在相同的冲击加速度作用下，实际作用到不锈钢管壳封装的传感器中的载荷更大，则输出电压更大，所以不锈钢结构封装的高量程加速度传感器的灵敏度更大。同时，不锈钢材料封装的高量程加速度传感器能够更好的响应外界冲击信号。

2.2.2 高过载能力测试

高量程加速度传感器的实际应用环境极其恶劣，需要承受住十几万g的冲击加速度并输出有效信号，因此对高过载能力要求极高。封装是影响高量程加速度传感器高过载能力的主要因素之一，其中封装管壳的材料、外形设计起到主要作用。对不锈钢和陶瓷封装的2种高量程加速度传感器采用Hopkinson杆进行高过载能力测试［11］，测试结果如表3和图4所示。

表3 不同材料封装的传感器的高过载能力测试结果Table 3 The results of anti－overload ability test for sensors packaged with different shell materials

图4 传感器高过载能力测试结果Fig.4 The results of anti－overload test under high－gcondition

在冲击作用下，不锈钢封装的高g加速度传感器在2.12×105g的加速度作用下封装管壳正常，并有有效电压信号输出，如图4（a）所示；同时，当加速度为1.98×105g时陶瓷封装的高量程加速度传感器的管壳塌陷，如图4（b）所示，根据图4（b）所示的输出电压得出传感器封装结构已失效。经过测试得出，不锈钢封装的高量程加速度传感器的可靠性更高，高过载能力更强，说明与陶瓷材料封装相比，不锈钢管壳材料更适用于高量程加速度传感器的封装。

2.2.3 实弹测试

搭载炮弹实测不同封装材料的高量程加速度传感器的可靠性和测试精度。测试系统及测试方法细节如文献［12］所示，将不同封装的传感器同时安装在炮弹尾部，发射炮弹并通过加速度传感器测试其膛内过载，最后读取采集存储的过载数据与现场实测的数据进行对比分析。测试结果如图5所示。

陶瓷封装和不锈钢封装的高量程加速度传感器测试到的膛内过载分别如图5（a）中左图所示，可以看出陶瓷封装高量程加速度传感器测试时最大过载为7 100g，不锈钢封装高量程加速度传感器测试时最大过载为9 650g。在初始加速和出炮膛阶段，可能由于炮弹与炮管的相互作用使得传感器受到剧烈振动的加速度信号，同时由于2个传感器的安装节点不同，造成的响应信号也出现差异。通过对加速度时间信息积分得速度时间信息，如图5（a）中右图和图5（b）中右图，从中得出陶瓷封装和不锈钢封装的高量程加速度传感器出膛时的最大速度分别为475、482.6m／s。在测试过程中，现场的高速摄影仪测试到得炮弹出膛的速度为483.6m／s。对比分析传感器测试到的数据与现场实测数据得到，不锈钢封装传感器的测试误差为0.26%，而陶瓷封装传感器的测试误差更大，为1.78%。因此，不锈钢封装高量程加速度传感器的测试精度更高，更能准确响应外界加速度信号，与前文中的结论一致。

图5 不同封装材料封装的加速度传感器的膛内过载测试Fig.5 The projectile test for high－gsensors packaged with different shell materials

3 结 论

通过实验研究封装材料对高量程加速度传感器性能的影响，得出如下结论：封装材料将主要影响到传感器结构残余应力和输出特性。通过测试对比陶瓷材料和不锈钢材料封装的传感器得出，与陶瓷材料封装的高量程加速度传感器相比，不锈钢材料封装的高量程加速度传感器在封装后结构的残余应力和压敏电阻阻值的变化更大。通过对比测试陶瓷和不锈钢材料封装的高量程加速度传感器的性能得出，不锈钢封装的高量程加速度传感器的灵敏度更大，高过载能力更强，并且测试可靠性和精度更高。

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