Акселерометры являются типичным типом инерциальных датчиков, которые находят широкое применение в авиации, аэрокосмической промышленности, навигации, производстве вооружения и в гражданских областях. Однако большие размеры и высокая стоимость традиционных акселерометров ограничивают их применение. С развитием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS) появились различные MEMS-акселерометры небольшого размера, с низким энергопотреблением и широким диапазоном применения.
В дополнение к полностью кремниевой структуре, существуют и другие меры по улучшению общих температурных характеристик MEMS-акселерометров. Во-первых, за счет эффективного снижения теплового напряжения, передаваемого на чувствительную конструкцию, с помощью метода устранения напряжения, предложенного в предыдущем разделе, улучшаются общие температурные характеристики акселерометра. Во-вторых, за счет изучения параметров соединения с низким напряжением достигается оптимальная компоновка MEMS-акселерометров. Исходя из этого, дальнейшее улучшение общих температурных характеристик акселерометра достигается за счет температурной компенсации третьего порядка смещения акселерометра и масштабного коэффициента.
1.Разработка процесса склеивания с низким напряжением
Чтобы уменьшить объем упаковки MEMS-акселерометров, в данной статье не используется традиционный метод плоской упаковки двух микросхем. Вместо этого используется многослойная упаковка с MEMS-чувствительными структурами и микросхемами, предназначенными для конкретных приложений (ASIC), как показано на рисунке 1.
Рис.1. Принципиальная схема пакета для компоновки MEMS-акселерометров
MEMS-чип наклеивается на нижнюю пластину корпуса керамической трубки с помощью клея, а ASIC-чип наклеивается поверх MEMS-чипа. Они соединяются между собой с помощью проволочного соединения и прикрепляются к упаковочной оболочке, образуя конечный продукт-акселерометр после установки металлического колпачка. В конструкции многослойной упаковки как склеивание чувствительной структуры, так и склеивание ASIC создают напряжение при склеивании, которое является важным источником общего напряжения для MEMS-акселерометров.
Напряжение при склеивании влияет на общую температурную характеристику акселерометра и масштабный коэффициент. Чтобы свести к минимуму напряжение при упаковке, вызванное склеиванием структур, чувствительных к ASIC и MEMS, в данной статье представлена конечно-элементная модель многослойной упаковки с использованием MEMS-акселерометра, как показано на рисунке 2. С помощью метода конечных элементов в статье анализируется влияние ключевых параметров процесса, таких как количество склеиваемых элементов и размер точки склеивания, на прочность склеивания микросхем MEMS-акселерометра или изменение емкости детектора. Понимание взаимосвязи между геометрическими параметрами склеивающего слоя и термической нагрузкой поможет выбрать оптимальные параметры размера точки склеивания, тем самым снижая термическую нагрузку на упаковку и улучшая общие температурные характеристики акселерометра.
Рис.2. Конечно-элементная модель многослойного пакета MEMS-акселерометров
Во-первых, в ходе исследования изучается толщина клея для склеивания микросхем ASIC. ASIC склеивается по всей поверхности, при этом толщина клея варьируется от 10 до 150 мкм. Затем анализируется максимальное напряжение, испытываемое моделируемой структурой, чувствительной к акселерометру. Результаты моделирования показаны на рисунке 3.
Из рисунка 3 видно, что напряжение остается относительно постоянным, когда толщина клея превышает 25 мкм. В реальных процессах склеивания, чтобы обеспечить достаточную прочность, толщина клея для ASIC-склеивания должна составлять не менее 25 мкм. Таким образом, в пределах диапазона надежного склеивания параметр толщины ASIC-клея имеет относительно широкий диапазон выбора при незначительном влиянии на тепловое напряжение чувствительной к акселерометру конструкции.
Рис.3. Кривая влияния толщины адгезива ASIC на структурные напряжения, чувствительные к акселерометру
Далее в исследовании изучается влияние распределения и размера точек склеивания на напряжение герметизации чувствительной к акселерометру конструкции. Разработаны модели различных методов точечного приклеивания для определения максимального напряжения на чувствительной к акселерометру конструкции при заданной форме клея и размере точки приклеивания с помощью имитационного анализа. Результаты моделирования показаны на рисунке 4.
Рис.4. 1-точечное склеивание.
Влияние формы и радиуса склеивания конструкции, зависящих от измерения акселерометра, на напряжение в конструкции
Сравнивая максимальное напряжение при использовании четырех различных методов точечного склеивания, можно заметить, что максимальное напряжение на конструкцию акселерометра является самым низким при использовании метода 4-точечного склеивания и составляет около 33,202 МПа, в то время как при использовании трех других методов склеивания максимальное напряжение на конструкцию, чувствительную к акселерометру, превышает 33,5 МПа. Поэтому в качестве метода склеивания чувствительной к акселерометру конструкции был выбран метод склеивания в 4 точках. Кроме того, на рисунке 7 видно, что напряжение в конструкции относительно низкое в диапазоне радиусов точек склеивания от 138 мкм до 206 мкм. Следовательно, при настройке параметров процесса выбор радиуса склеивания чувствительной конструкции в диапазоне от 138 до 206 мкм не только упрощает управление процессом склеивания, но и позволяет поддерживать напряжение, возникающее при склеивании чувствительной к акселерометру конструкции, в относительно низком диапазоне.
Рис.5. 2-точечное соединение
Рис.6. 3-точечное соединение
Рис.7. 4-точечное соединение
На основе определения 4-точечного клеевого соединения для чувствительной к акселерометру конструкции и радиуса точки склеивания для анализа влияния толщины клея на напряжение в чувствительной к акселерометру конструкции в качестве исходного значения берется напряжение в чувствительной к акселерометру конструкции перед склеиванием при комнатной температуре. Параметр толщины клея для 4-точечного склеивания устанавливается в диапазоне от 10 до 150 мкм. При повышении температуры от -40°C до 60°C рассчитывается максимальное напряжение в конструкции, чувствительной к акселерометру. На рисунке 8 показана кривая влияния толщины клея на напряжение в конструкции акселерометра.
Из рисунка 8 видно, что адгезионное напряжение уменьшается с увеличением толщины клеевого слоя, и когда толщина слоя превышает 60 мкм, снижение термического напряжения клея становится меньше. Таким образом, установка толщины клея для чувствительной к акселерометру конструкции выше 60 мкм позволяет поддерживать напряжение, возникающее при склеивании чувствительной конструкции, на относительно низком уровне.
Рис.8. Зависимость толщины связующего слоя от термического напряжения
2.Конструкция температурной компенсации
Чтобы еще больше улучшить общие температурные характеристики акселерометра, в данной статье, в дополнение к проектированию конструкции для устранения напряжений и конструкции соединения с низким уровнем напряжений в многослойной упаковке, также моделируется и компенсируется смещение акселерометра и масштабный коэффициент отдельно. Путем моделирования акселерометра для температурного тестирования получены выходные данные датчика температуры, смещение и масштабный коэффициент акселерометра в различных температурных точках. Затем выполняется полиномиальная подгонка отдельно для смещения, масштабного коэффициента и выходных данных датчика температуры акселерометра для получения коэффициентов подгонки смещения и масштабного коэффициента.
K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4
K0 - нулевое смещение акселерометра; p1, p2, p3, p4 - коэффициенты подгонки третьего порядка нулевого смещения; T - выходной сигнал датчика температуры акселерометра.
（K1/K1T）=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4
K1 - коэффициент масштабирования акселерометра при нормальной температуре; K1T - коэффициент масштабирования акселерометра при каждой температурной точке; q1, q2, q3 и q4 - соответствующие коэффициенты третьего порядка коэффициента масштабирования,
Соответствующие коэффициенты смещения и масштабного коэффициента записываются в регистр акселерометра для завершения температурной компенсации в диапазоне от -40°C до +60°C.
3.Заключение
ER-MA-5 - это высокоточный MEMS-акселерометр со значением смещения 5 мкг и температурным коэффициентом смещения <10 мкг/°C. ER-MA-5 может применяться в различных областях. Это важный инструмент для измерения вибрации в различных ситуациях, включая мониторинг механического оборудования, оценку структурной целостности мостов и плотин и проведение испытаний на безопасность. Его применение также распространяется на инерциальные системы наведения, которые помогают в точной навигации и измерении перегрузки. Акселерометр также используется в интегрированных навигационных системах для обеспечения комплексных решений по позиционированию.