Método de optimización del rendimiento a temperatura completa para acelerómetro MEMS

Puntos clave

Los acelerómetros son un tipo típico de sensor inercial, con amplias e importantes aplicaciones en los campos de la aviación, el aeroespacial, la navegación, el armamento y el civil. Sin embargo, el gran tamaño y el elevado coste de los acelerómetros tradicionales limitan sus aplicaciones. Con el desarrollo de la tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS), han surgido varios acelerómetros MEMS de tamaño pequeño, bajo consumo de energía y una amplia gama de aplicaciones.

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

1.Diseño del proceso de unión de baja tensión

Para reducir el volumen de embalaje de los acelerómetros MEMS, este documento no adopta el método tradicional de empaquetar dos chips de forma plana. En su lugar, adopta un diseño de empaque apilado con estructuras sensibles a MEMS y chips de circuito integrado de aplicación específica (ASIC), como se muestra en la Figura 1.

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

El chip MEMS se pega en la placa inferior de una carcasa de tubo de cerámica usando adhesivo, mientras que el chip ASIC se pega encima del chip MEMS. Están interconectados mediante uniones de cables y conectados a la carcasa del embalaje, formando el producto final del acelerómetro después de aplicar la tapa metálica. En el diseño de empaque apilado, tanto la unión de la estructura sensible como la unión del ASIC introducen tensión de unión, que es una fuente importante de tensión general para los acelerómetros MEMS.

La tensión de unión afecta el rendimiento general de la temperatura del sesgo del acelerómetro y el factor de escala. Para minimizar la tensión del empaque causada por el adhesivo de unión de estructuras sensibles ASIC y MEMS, este artículo establece un modelo de elementos finitos de empaque apilado con acelerómetro MEMS, como se muestra en la Figura 2. A través del análisis de elementos finitos, el artículo analiza la influencia de factores clave. parámetros del proceso como la cantidad de unión y el tamaño del punto de unión en la tensión de unión de los chips de acelerómetro MEMS o el cambio en la capacitancia de detección. Comprender la relación entre los parámetros geométricos de la capa de unión y la tensión térmica ayudará a seleccionar parámetros de tamaño de punto de unión razonables, reduciendo así la tensión térmica del embalaje y mejorando el rendimiento general de temperatura 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 adhiere en toda su superficie, con un espesor de adhesivo que oscila entre 10 μm y 150 μm. Luego se analiza la tensión máxima experimentada por la estructura sensible al acelerómetro simulada. Los resultados de la simulación se muestran en la Figura 3.

Se puede observar en la Figura 3 que la tensión permanece relativamente constante una vez que el espesor del adhesivo supera los 25 μm. En los procesos de unión reales, para garantizar una fuerza 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 confiable, el parámetro del espesor del adhesivo ASIC tiene un rango de selección relativamente grande, con efectos insignificantes sobre la tensión térmica de la estructura sensible al acelerómetro.

Fig.3 Curva de 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 sobre la tensión de encapsulación de la estructura sensible al acelerómetro. Se establecen modelos de diferentes métodos de adhesivo puntual para determinar la tensión máxima en la estructura sensible del acelerómetro bajo la forma adhesiva y el tamaño del punto adhesivo determinados mediante análisis de simulación. Los resultados de la simulación se ilustran en la Figura 4.

Al comparar la tensión máxima bajo cuatro métodos de adhesivo puntual diferente, se observa que la tensión máxima en la estructura del acelerómetro es la más baja bajo el método adhesivo de 4 puntos, alrededor de 33.202 MPa, mientras que bajo los otros tres métodos adhesivos, la tensión máxima en la estructura sensible al acelerómetro supera los 33,5 MPa. Por lo tanto, se elige el método adhesivo de 4 puntos como método de unión para la estructura sensible al acelerómetro. Además, en la Figura 7, se puede ver que la tensión estructural es relativamente baja dentro del rango de radios del punto adhesivo de 138 μm a 206 μm. Por lo tanto, al establecer los parámetros del proceso, elegir el radio adhesivo para la estructura sensible dentro del rango de 138 μm a 206 μm no solo reduce la dificultad del control del proceso adhesivo sino que también mantiene la tensión introducida al unir 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 adhesivo, para analizar el efecto del espesor del adhesivo sobre la tensión de la estructura sensible al acelerómetro, se toma la tensión de la estructura sensible al acelerómetro antes de la unión a temperatura ambiente. como referencia. 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 sobre la tensión de la estructura del acelerómetro.

En la Figura 8, se puede ver que la tensión adhesiva disminuye al aumentar el espesor de la capa adhesiva, y cuando el espesor excede los 60 μm, la reducción de la tensión térmica adhesiva se vuelve menor. Por lo tanto, establecer el espesor del adhesivo para la estructura sensible al acelerómetro por encima de 60 μm puede mantener la tensión introducida al unir la estructura sensible a un nivel relativamente bajo.

2.Diseño de compensación de temperatura

Para mejorar aún más el rendimiento general de temperatura del acelerómetro, este documento, además del diseño de eliminación de tensiones en el diseño estructural y el diseño de unión de baja tensión en envases apilados, también modela y compensa la polarización del acelerómetro y el factor de escala por separado. Al modelar el acelerómetro para pruebas de temperatura, se obtienen la salida del sensor de temperatura, la polarización y el factor de escala del acelerómetro en varios puntos de temperatura. Luego, el ajuste polinomial se realiza por separado para la salida del sensor de temperatura de polarización, factor de escala y temperatura del acelerómetro para obtener los coeficientes de ajuste de polarización y los coeficientes de ajuste del factor de escala.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 es la polarización 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 polarización 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

MG101 es un acelerómetro MEMS de alta precisión, MG101 se puede aplicar en múltiples campos. Es una herramienta importante para la medición de vibraciones en diversos escenarios, incluido el monitoreo 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 guía inercial, ayudando en la navegación precisa y la medición de sobrecarga. El acelerómetro también se utiliza en sistemas de navegación integrados para proporcionar soluciones integrales de posicionamiento.