Método de otimização de desempenho em temperatura total para acelerômetro MEMS

Pontos-chave

Os acelerômetros são um tipo típico de sensor inercial, com amplas e importantes aplicações nas áreas de aviação, aeroespacial, navegação, armamento e civil. No entanto, o grande tamanho e o alto custo dos acelerômetros tradicionais limitam suas aplicações. Com o desenvolvimento da tecnologia Micro-Eletro-Mechanical System (MEMS), surgiram vários acelerômetros MEMS com tamanho pequeno, baixo consumo de energia e ampla gama de aplicações.

Além da estrutura totalmente em silício, existem outras medidas para melhorar o desempenho geral da temperatura dos acelerômetros MEMS. Em primeiro lugar, ao reduzir eficazmente a tensão térmica transmitida à estrutura sensível através do método de eliminação de tensão proposto na secção anterior, o desempenho global da temperatura do acelerómetro é melhorado. Em segundo lugar, através do estudo de parâmetros de ligação de baixa tensão, são alcançados empilhamento e empacotamento de baixa tensão de acelerômetros MEMS. Com base nisso, uma melhoria adicional do desempenho geral da temperatura do acelerômetro é alcançada através da compensação de temperatura de terceira ordem para a polarização do acelerômetro e o fator de escala.

1. Projeto do processo de ligação de baixa tensão

A fim de reduzir o volume de embalagem dos acelerômetros MEMS, este artigo não adota o método tradicional de embalar dois chips de forma plana. Em vez disso, ele adota um design de embalagem empilhado com estruturas sensíveis a MEMS e chips de circuito integrado de aplicação específica (ASIC), conforme mostrado na Figura 1.

Fig.1 Diagrama esquemático do pacote de empilhamento do acelerômetro MEMS

O chip MEMS é colado na placa inferior de um tubo de cerâmica usando adesivo, enquanto o chip ASIC é colado na parte superior do chip MEMS. Eles são interligados por meio de ligação de fios e conectados ao invólucro da embalagem, formando o produto final do acelerômetro após a aplicação da tampa metálica. No design da embalagem empilhada, tanto a ligação da estrutura sensível quanto a ligação do ASIC introduzem tensão de ligação, que é uma fonte importante de tensão geral para acelerômetros MEMS.

A tensão de ligação afeta o desempenho geral da temperatura da polarização do acelerômetro e do fator de escala. A fim de minimizar o estresse de embalagem causado pelo adesivo de ligação de estruturas sensíveis ASIC e MEMS, este artigo estabelece um modelo de elementos finitos de embalagens empilhadas de acelerômetros MEMS, conforme mostrado na Figura 2. Por meio da análise de elementos finitos, o artigo analisa a influência da chave parâmetros de processo, como quantidade de ligação e tamanho do ponto de ligação na tensão de ligação dos chips do acelerômetro MEMS ou na mudança na capacitância de detecção. Compreender a relação entre os parâmetros geométricos da camada de ligação e a tensão térmica ajudará na seleção de parâmetros razoáveis de tamanho do ponto de ligação, reduzindo assim a tensão térmica da embalagem e melhorando o desempenho geral da temperatura do acelerômetro.

Fig.2 Modelo de elementos finitos do pacote empilhado do acelerômetro Mems

Primeiramente, o estudo investiga a espessura do adesivo para colagem de chips ASIC. O ASIC é colado em toda a sua superfície, com espessura adesiva variando de 10μm a 150μm. A tensão máxima experimentada pela estrutura sensível do acelerômetro simulada é então analisada. Os resultados da simulação são mostrados na Figura 3.

Pode-se observar na Figura 3 que a tensão permanece relativamente constante quando a espessura do adesivo excede 25μm. Nos processos de colagem reais, para garantir resistência de colagem suficiente, a espessura do adesivo para colagem ASIC não é inferior a 25 μm. Portanto, dentro de uma faixa de ligação confiável, o parâmetro de espessura do adesivo ASIC possui uma faixa de seleção relativamente grande, com efeitos insignificantes na tensão térmica da estrutura sensível ao acelerômetro.

Fig.3 Curva de efeito da espessura do adesivo ASIC na tensão estrutural sensível ao acelerômetro

A seguir, o estudo investiga o efeito da distribuição e tamanho dos pontos adesivos na tensão de encapsulamento da estrutura sensível do acelerômetro. Modelos de diferentes métodos de adesivo pontual são estabelecidos para determinar a tensão máxima na estrutura sensível do acelerômetro sob uma determinada forma adesiva e tamanho do ponto adesivo através de análise de simulação. Os resultados da simulação estão ilustrados na Figura 4.

Comparando a tensão máxima sob quatro métodos adesivos de pontos diferentes, observa-se que a tensão máxima na estrutura do acelerômetro é a mais baixa no método adesivo de 4 pontos, em torno de 33.202 MPa, enquanto nos outros três métodos adesivos, a tensão máxima em a estrutura sensível do acelerômetro excede 33,5 MPa. Portanto, o método adesivo de 4 pontos é escolhido como método de ligação para a estrutura sensível ao acelerômetro. Além disso, na Figura 7, pode-se observar que a tensão estrutural é relativamente baixa na faixa de raios do ponto adesivo de 138μm a 206μm. Assim, ao definir os parâmetros do processo, a escolha do raio adesivo para a estrutura sensível dentro da faixa de 138 μm a 206 μm não apenas reduz a dificuldade de controle do processo adesivo, mas também mantém a tensão introduzida pela ligação da estrutura sensível do acelerômetro dentro de uma faixa relativamente baixa.

Com base na determinação da ligação adesiva de 4 pontos para a estrutura sensível do acelerômetro e no raio do ponto adesivo, para analisar o efeito da espessura do adesivo na tensão da estrutura sensível do acelerômetro, é tomada a tensão da estrutura sensível do acelerômetro antes da colagem à temperatura ambiente. como referência. O parâmetro de espessura adesiva para a ligação adesiva de 4 pontos é definido entre 10 μm e 150 μm. Quando a temperatura sobe de -40°C para 60°C, a tensão máxima na estrutura sensível do acelerômetro é calculada. A Figura 8 mostra a curva do efeito da espessura do adesivo na tensão da estrutura do acelerômetro.

Na Figura 8 pode-se observar que a tensão adesiva diminui com o aumento da espessura da camada adesiva, e quando a espessura ultrapassa 60μm, a redução da tensão térmica adesiva torna-se menor. Portanto, definir a espessura do adesivo para a estrutura sensível do acelerômetro acima de 60 μm pode manter a tensão introduzida pela ligação da estrutura sensível em um nível relativamente baixo.

2. Projeto de compensação de temperatura

A fim de melhorar ainda mais o desempenho geral da temperatura do acelerômetro, este artigo, além do projeto de eliminação de tensão no projeto estrutural e do projeto de ligação de baixa tensão em embalagens empilhadas, também modela e compensa o viés do acelerômetro e o fator de escala separadamente. Ao modelar o acelerômetro para teste de temperatura, são obtidos a saída do sensor de temperatura, a polarização e o fator de escala do acelerômetro em vários pontos de temperatura. Em seguida, o ajuste polinomial é realizado separadamente para a polarização, o fator de escala e a saída do sensor de temperatura do acelerômetro para obter os coeficientes de ajuste de polarização e os coeficientes de ajuste do fator de escala.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 é a polarização zero do acelerômetro; p1, p2, p3, p4 são os coeficientes de ajuste de terceira ordem do viés zero; T é a saída do sensor de temperatura do acelerômetro

（K1/K1T）=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

K1 é o fator de escala do acelerômetro em temperatura normal; K1T é o fator de escala do acelerômetro em cada ponto de temperatura; q1, q2, q3 e q4 são os coeficientes de ajuste de terceira ordem do fator de escala,

Os coeficientes de ajuste de polarização e os coeficientes de ajuste do fator de escala são gravados no registro do acelerômetro para completar a compensação de temperatura, com faixa de compensação de -40°C a +60°C.

3.Conclusão

MG101 é um acelerômetro MEMS de alta precisão, MG101 pode ser aplicado em vários campos. É uma importante ferramenta para medição de vibração em diversos cenários, incluindo monitoramento de equipamentos mecânicos, avaliação da integridade estrutural de pontes e barragens e realização de testes de segurança. Suas aplicações também se estendem a sistemas de orientação inercial, auxiliando na navegação precisa e na medição de sobrecarga. O acelerômetro também é usado em sistemas de navegação integrados para fornecer soluções abrangentes de posicionamento.