Método de optimización del rendimiento a temperatura completa para acelerómetros MEMS

Puntos clave

Los acelerómetros son un tipo típico de sensor inercial, con amplias e importantes aplicaciones en los sectores de la aviación, la industria aeroespacial, la navegación, el armamento y la ingeniería civil. Sin embargo, su gran tamaño y elevado coste limitan sus aplicaciones. Con el desarrollo de la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS), han surgido diversos acelerómetros MEMS de pequeño tamaño, bajo consumo energético y amplio rango de aplicaciones.

Además de la estructura íntegramente de silicio, existen otras medidas para mejorar el rendimiento térmico general de los acelerómetros MEMS. En primer lugar, al reducir eficazmente la tensión térmica transmitida a la estructura sensible mediante el método de eliminación de tensiones propuesto en la sección anterior, se mejora el rendimiento térmico general del acelerómetro. En segundo lugar, mediante el estudio de los parámetros de unión de baja tensión, se logra un apilado y empaquetado de baja tensión de los acelerómetros MEMS. Con base en esto, se logra una mejora adicional del rendimiento térmico general del acelerómetro mediante la compensación de temperatura de tercer orden para el sesgo del acelerómetro y el factor de escala.

1.Diseño de proceso de unión de baja tensión

Para reducir el volumen de empaquetado de los acelerómetros MEMS, este artículo no adopta el método tradicional de empaquetado de dos chips planos. En su lugar, adopta un diseño de empaquetado apilado con estructuras sensibles a MEMS y chips de Circuitos Integrados de Aplicación Específica (ASIC), como se muestra en la Figura 1.

Fig.1 Diagrama esquemático del paquete de apilamiento del acelerómetro MEMS

El chip MEMS se adhiere a la placa inferior de una carcasa de tubo cerámico mediante adhesivo, mientras que el chip ASIC se fija sobre el chip MEMS. Se interconectan mediante unión por cable y se conectan a la carcasa del encapsulado, formando el acelerómetro final tras la aplicación de la tapa metálica. En el diseño de encapsulado apilado, tanto la unión de la estructura sensible como la del ASIC generan tensión de unión, una fuente importante de tensión general para los acelerómetros MEMS.

La tensión de enlace afecta el rendimiento térmico general del sesgo y el factor de escala del acelerómetro. Para minimizar la tensión de encapsulado causada por el adhesivo de unión de estructuras sensibles a ASIC y MEMS, este artículo establece un modelo de elementos finitos para el encapsulado apilado de acelerómetros MEMS, como se muestra en la Figura 2. Mediante el análisis de elementos finitos, el artículo analiza la influencia de parámetros clave del proceso, como la cantidad de enlace y el tamaño del punto de enlace, en la tensión de enlace de los chips de acelerómetros MEMS o en el cambio en la capacitancia de detección. Comprender la relación entre los parámetros geométricos de la capa de enlace y la tensión térmica ayudará a seleccionar parámetros razonables para el tamaño del punto de enlace, reduciendo así la tensión térmica del encapsulado y mejorando el rendimiento térmico general del acelerómetro.

Fig. 2 Modelo de elementos finitos del paquete apilado del acelerómetro MEMS

En primer lugar, el estudio investiga el espesor del adhesivo para unir chips ASIC. El ASIC se une en toda su superficie, con un espesor de adhesivo que oscila entre 10 μm y 150 μm. A continuación, se analiza la tensión máxima experimentada por la estructura simulada sensible al acelerómetro. Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 3.

En la Figura 3 se puede observar que la tensión se mantiene relativamente constante una vez que el espesor del adhesivo supera los 25 μm. En los procesos de unión reales, para garantizar una resistencia de unión suficiente, el espesor del adhesivo para la unión ASIC no es inferior a 25 μm. Por lo tanto, dentro de un rango de unión fiable, el parámetro de espesor del adhesivo ASIC tiene un rango de selección relativamente amplio, con efectos insignificantes en la tensión térmica de la estructura sensible al acelerómetro.

Fig. 3 Curva del efecto del espesor del adhesivo ASIC sobre la tensión estructural sensible al acelerómetro

A continuación, el estudio investiga el efecto de la distribución y el tamaño de los puntos adhesivos en la tensión de encapsulación de la estructura sensible al acelerómetro. Se establecen modelos de diferentes métodos de adhesión puntual para determinar la tensión máxima en la estructura sensible al acelerómetro bajo la forma y el tamaño del punto adhesivos dados mediante análisis de simulación. Los resultados de la simulación se ilustran en la Figura 4.

Comparando la tensión máxima bajo cuatro métodos diferentes de adhesivos puntuales, se observa que la tensión máxima en la estructura del acelerómetro es la más baja bajo el método de adhesivo de 4 puntos, en alrededor de 33,202 MPa, mientras que bajo los otros tres métodos de adhesivo, la tensión máxima en la estructura sensible del acelerómetro supera los 33,5 MPa. Por lo tanto, el método de adhesivo de 4 puntos se elige como el método de unión para la estructura sensible del acelerómetro. Además, de la Figura 7, se puede ver que la tensión estructural es relativamente baja dentro del rango de radios de punto de adhesivo de 138 μm a 206 μm. Por lo tanto, en el ajuste de los parámetros del proceso, la elección del radio de adhesivo para la estructura sensible dentro del rango de 138 μm a 206 μm no solo reduce la dificultad del control del proceso de adhesivo, sino que también mantiene la tensión introducida por la unión de la estructura sensible del acelerómetro dentro de un rango relativamente bajo.

Con base en la determinación de la unión adhesiva de 4 puntos para la estructura sensible al acelerómetro y el radio del punto de adhesión, para analizar el efecto del espesor del adhesivo en la tensión de la estructura sensible al acelerómetro, se tomó como referencia la tensión de la estructura sensible al acelerómetro antes de la unión a temperatura ambiente. El parámetro de espesor del adhesivo para la unión adhesiva de 4 puntos se establece entre 10 μm y 150 μm. Cuando la temperatura aumenta de -40 °C a 60 °C, se calcula la tensión máxima en la estructura sensible al acelerómetro. La Figura 8 muestra la curva del efecto del espesor del adhesivo en la tensión de la estructura del acelerómetro.

En la Figura 8, se observa que la tensión adhesiva disminuye al aumentar el espesor de la capa adhesiva, y cuando este supera los 60 μm, la reducción de la tensión térmica adhesiva se reduce. Por lo tanto, establecer un espesor adhesivo superior a 60 μm para la estructura sensible al acelerómetro permite mantener la tensión introducida por la unión de la estructura sensible a un nivel relativamente bajo.

2.Diseño de compensación de temperatura

Para mejorar aún más el rendimiento general del acelerómetro en cuanto a temperatura, este artículo, además del diseño de eliminación de tensiones en el diseño estructural y el diseño de unión de baja tensión en empaques apilados, también modela y compensa por separado el sesgo y el factor de escala del acelerómetro. Al modelar el acelerómetro para pruebas de temperatura, se obtienen la salida del sensor de temperatura, el sesgo y el factor de escala del acelerómetro en diferentes puntos de temperatura. Posteriormente, se realiza un ajuste polinomial por separado para el sesgo, el factor de escala y la salida del sensor de temperatura del acelerómetro para obtener los coeficientes de ajuste del sesgo y del factor de escala.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 es el sesgo cero del acelerómetro; p1, p2, p3, p4 son los coeficientes de ajuste de tercer orden del sesgo cero; T es la salida del sensor de temperatura del acelerómetro

(K1/K1T)=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

K1 es el factor de escala del acelerómetro a temperatura normal; K1T es el factor de escala del acelerómetro en cada punto de temperatura; q1, q2, q3 y q4 son los coeficientes de ajuste de tercer orden del factor de escala.

Los coeficientes de ajuste de sesgo y los coeficientes de ajuste del factor de escala se escriben en el registro del acelerómetro para completar la compensación de temperatura, con un rango de compensación de -40 °C a +60 °C.

3. Conclusión

El MG101 es un acelerómetro MEMS de alta precisión con múltiples aplicaciones. Es una herramienta clave para la medición de vibraciones en diversos escenarios, como la monitorización de equipos mecánicos, la evaluación de la integridad estructural de puentes y presas, y la realización de pruebas de seguridad. Sus aplicaciones también se extienden a los sistemas de guiado inercial, facilitando la navegación precisa y la medición de sobrecargas. El acelerómetro también se utiliza en sistemas de navegación integrados para proporcionar soluciones integrales de posicionamiento.