封装对高量程MEMS加速度传感器性能的影响

谌福华+高智浩+王明伟

摘 要 高g值加速度传感器可用于钻地武器，通常以每秒几千英尺的速度钻入地面、混凝土、岩石或其他的坚硬物质，所用的加速度传感器既要抗击如此苛刻的工作环境，又有快速响应冲击与钻入的整个过程。因此，钻到武器用加速度传感器要有很宽的测量范围、耐受高冲击且频率响应高。高量程MEMS加速度传感器是测量高冲击过程的核心器件。本文对一种梁膜结构压阻式MEMS加速度传感器的封装进行了系统研究，讨论了使用不同材料管壳封装后，对器件性能的影响。

【关键词】封装 传感器 性能

1 动力学模型

加速度传感器尽管原理结构不尽相同，但是它们都有一个共同点，那就是传感器芯体都固定在管壳上，传感器内部都有一个质量块，质量块都通过弹簧或其它弹性体与传感器底座相连，振动体的绝对运动通过弹簧带动质量块与底座之间产生相对运动，其相对运动受到传感器内阻尼器的阻尼作用，这样一个由质量块-弹簧-阻尼器构成的运动系统认为是一个弹簧质量块系统，如图1所示。

从经典的二阶系统模型我们可以得知，当阻尼系数为0.707时，传感器具有最平坦的幅频响应特性和近似最优的线性响应特性，如图2所示，但事实上，大多数实际使用的传感器的阻尼都不是0.707，为了减少动态误差和扩大频率范围，通常采用提高传感器的固有频率提高，以此提高传感器的动态性能。

2 加速度计芯片的振型分析

所封装的加速度计是一种梁膜结构的高量程MEMS加速度传感器，如图3所示。通过背面KOH腐蚀和正面刻蚀形成加速度结构，如图3所示，设计量程为10万g，加速度传感器的敏感方向垂直硅平面。当加速度传感器感受到加速度时，敏感梁弯曲，梁根部的压敏电阻条阻值发生变化，通过压阻效应和惠斯通全桥便有相应的电压输出。当一个结构系统设计用于动态载荷条件之下时，系统的固有频率和相应的振型是很重要的参数，它们代表了系统的振动特性。这些参数需要通过对该系统进行模态分析而获得。通过约束芯片支撑梁不动，使用Ansys软件对裸芯片进行模态分析，第1阶模态为两根悬臂梁在敏感方向（Z方向）的振动，模态频率均为56kHz。

3 封装结构的模态分析

加速度计封装结构的示意图如4所示。使用铝合金材料，弹性模量较高，首先建立封装加速度计的几何模型，然后用8节点的六面体单元SOLID45进行网格划分得到有限元模型。封装器件在冲击环境中使用时，芯体感受到Z轴方向的应力波。所以，我们感兴趣的主要是Z方向（管壳高度方向）的振动，共振频率121KHZ。

4 封装后的振动模态分析

加速度计与管壳粘接到一起，加上盖板后进行仿真分析，其中一阶模态振动频率是51KHZ，示意图如图5所示，與传感器芯体振动频率接近，振型和芯体振型接近。

5 结论

对高量程MEMS加速度计的封装结构进行了模态分析，得出如下结论；安装固有频率主要取决于传感器芯体频率和管壳本身频率，管壳频率越高，安装固有频率越接近芯体固有频率。

参考文献

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作者简介

谌福华（1967-），男，黑龙江省哈尔滨人。学士学位。研究方向为传感器技术。

作者单位

中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江省哈尔滨市 150001