Método de otimização de desempenho em temperatura total para acelerômetro MEMS

Pontos-chave

Os acelerômetros são um tipo típico de sensor inercial, com ampla e importante aplicação nas áreas de aviação, aeroespacial, navegação, armamento e civil. No entanto, o tamanho grande e o alto custo dos acelerômetros tradicionais limitam suas aplicações. Com o desenvolvimento da tecnologia de Sistemas Microeletromecânicos (MEMS), surgiram diversos acelerômetros MEMS com tamanho reduzido, baixo consumo de energia e ampla gama de aplicações.

Além da estrutura totalmente em silício, existem outras medidas para melhorar o desempenho térmico geral dos acelerômetros MEMS. Primeiramente, reduzindo efetivamente a tensão térmica transmitida à estrutura sensível por meio do método de eliminação de tensão proposto na seção anterior, o desempenho térmico geral do acelerômetro é aprimorado. Em segundo lugar, por meio do estudo de parâmetros de ligação de baixa tensão, obtém-se o empilhamento e a embalagem de acelerômetros MEMS com baixa tensão. Com base nisso, um aprimoramento adicional do desempenho térmico geral do acelerômetro é alcançado por meio da compensação de temperatura de terceira ordem para o viés e o fator de escala do acelerômetro.

1. Projeto de processo de colagem com baixa tensão

Para reduzir o volume de encapsulamento dos acelerômetros MEMS, este artigo não adota o método tradicional de encapsulamento de dois chips em uma única camada. Em vez disso, adota um projeto de encapsulamento empilhado com estruturas sensíveis MEMS e chips de Circuito Integrado de Aplicação Específica (ASIC), conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1. Diagrama esquemático de um pacote de acelerômetro MEMS.

O chip MEMS é colado na placa inferior de um invólucro de tubo cerâmico usando adesivo, enquanto o chip ASIC é colado sobre o chip MEMS. Eles são interconectados por meio de fios e conectados à carcaça da embalagem, formando o acelerômetro final após a aplicação da tampa metálica. No projeto de encapsulamento empilhado, tanto a colagem da estrutura sensível quanto a colagem do ASIC introduzem tensão de ligação, que é uma importante fonte de tensão geral para acelerômetros MEMS.

A tensão de ligação afeta o desempenho térmico geral do acelerômetro em termos de polarização e fator de escala. Para minimizar a tensão de encapsulamento causada pelo adesivo de ligação das estruturas sensíveis de ASICs e MEMS, este artigo estabelece um modelo de elementos finitos de encapsulamento empilhado de acelerômetros MEMS, conforme mostrado na Figura 2. Através da análise de elementos finitos, o artigo analisa a influência de parâmetros-chave do processo, como a quantidade de adesivo e o tamanho do ponto de ligação, na tensão de ligação dos chips de acelerômetros MEMS ou na variação da capacitância de detecção. Compreender a relação entre os parâmetros geométricos da camada de ligação e a tensão térmica auxiliará na seleção de parâmetros adequados para o tamanho do ponto de ligação, reduzindo assim a tensão térmica do encapsulamento e melhorando o desempenho térmico geral do acelerômetro.

Figura 2. Modelo de Elementos Finitos de um Acelerômetro MEMS Empilhado

Primeiramente, o estudo investiga a espessura do adesivo para colagem de chips ASIC. O ASIC é colado em toda a sua superfície, com a espessura do adesivo variando de 10 μm a 150 μm. Em seguida, analisa-se a tensão máxima suportada pela estrutura sensível ao acelerômetro simulada. Os resultados da simulação são mostrados na Figura 3.

Como pode ser observado na Figura 3, a tensão permanece relativamente constante quando a espessura do adesivo ultrapassa 25 μm. Em processos de colagem reais, para garantir resistência suficiente, a espessura do adesivo para a colagem de ASICs não é inferior a 25 μm. Portanto, dentro de uma faixa de colagem confiável, o parâmetro de espessura do adesivo para ASICs apresenta uma faixa de seleção relativamente ampla, com efeitos insignificantes sobre a tensão térmica da estrutura sensível do acelerômetro.

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

Em seguida, o estudo investiga o efeito da distribuição e do tamanho dos pontos de adesão na tensão de encapsulamento da estrutura sensível do acelerômetro. Modelos de diferentes métodos de adesão pontual são estabelecidos para determinar a tensão máxima na estrutura sensível do acelerômetro sob a forma e o tamanho dos pontos de adesão dados, por meio de análise de simulação. Os resultados da simulação são ilustrados na Figura 4.

Comparando a tensão máxima sob quatro diferentes métodos de adesão pontual, observa-se que a tensão máxima na estrutura do acelerômetro é a menor sob o método de adesão de 4 pontos, em torno de 33,202 MPa, enquanto sob os outros três métodos de adesão, a tensão máxima na estrutura sensível do acelerômetro excede 33,5 MPa. Portanto, o método de adesão de 4 pontos foi escolhido como o método de colagem para a estrutura sensível do acelerômetro. Além disso, a partir da Figura 7, pode-se observar que a tensão estrutural é relativamente baixa na faixa de raios dos pontos de adesão de 138 μm a 206 μm. Assim, ao definir os parâmetros do processo, escolher o raio de adesão para a estrutura sensível na faixa de 138 μm a 206 μm não só reduz a dificuldade de controle do processo de adesão, como também mantém a tensão introduzida pela colagem da estrutura sensível do acelerômetro em uma faixa relativamente baixa.

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

Conforme mostrado na Figura 8, a tensão adesiva diminui com o aumento da espessura da camada adesiva e, quando a espessura excede 60 μm, 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 colagem da estrutura sensível em um nível relativamente baixo.

2. Projeto de Compensação de Temperatura

Para aprimorar ainda mais o desempenho térmico geral do acelerômetro, este artigo, além do projeto de eliminação de tensões na estrutura e do projeto de colagem com baixa tensão na embalagem empilhada, também modela e compensa separadamente o viés e o fator de escala do acelerômetro. Ao modelar o acelerômetro para testes de temperatura, obtêm-se a saída do sensor de temperatura, o viés e o fator de escala do acelerômetro em vários pontos de temperatura. Em seguida, realiza-se um ajuste polinomial separadamente para o viés, o fator de escala e a saída do sensor de temperatura do acelerômetro, a fim de obter os coeficientes de ajuste do viés e do fator de escala.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 é o viés 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 viés 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

O MG101 é um acelerômetro MEMS de alta precisão, com aplicações em diversos campos. É uma ferramenta importante para medição de vibrações em vários 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 sobrecargas. O acelerômetro também é utilizado em sistemas de navegação integrados para fornecer soluções de posicionamento abrangentes.