灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

　　1　引言

　　高量程微机械(micro-electro-mechanical system,MEMS)加速度计在军事上和汽车电子等行业中都有广泛应用[1,2],所测量的加速度可以高达几十万g(1g=9.8m/s2)。Tanner[3]曾对封装好的加速度计在冲击环境下的可靠性进行了研究,Davies[4]提出了高g值加速度计封装设计上的几个原则;黄卫东[5]采用一种非常简化的结构,研究了撞击过程的有限元模拟,得出封接材料的弹性模量不影响传感器输出信号均值的结论。灌封可以对芯片进行保护,是提高高量程加速度计封装可靠性的一个关键步骤。在这方面尚未见有文章报道。本文根据自制的一种压阻式高量程MEMS加速度计芯片[6]和一种实用的封装结构,建立其有限元封装模型,进行模态分析和高g值加速度加载下的响应分析,研究灌封胶的影响。

　　2　有限元模拟

　　所模拟的是高量程双悬臂梁微机械加速度计,悬臂梁沿Y方向,它检测来自X方向的加速度。其封装结构示意图如图1所示,是一种实际的封装结构,所使用的各种材料的参数如表1所示。管壳及其盖板的材料均为Kovar合金,使用一种环氧类型的胶粘剂将芯片粘结到管座底部;灌封胶可能是掺杂或不掺杂SiO2粉体的环氧胶,也可能是有机硅胶。由于灌封胶成分的复杂性,为了便于考察灌封胶弹性模量的影响,假定灌封胶的密度都为1.8 g/c。

　　采用商用ANSYS软件进行有限元模拟。首先建立封装结构的几何模型,然后采用8节点的六面体单元Solid45对模型进行网格划分。边界条件是固定管壳下底面不动。进行模态分析时,采用ANSYS软件默认的BlockLanczos分析方法。通过静态加载X轴正向的加速度,可观察器件的模拟输出电压信号和封装结构的等效应力。

　　3　模拟结果分析

　　3.1　封装结构的模态分析

　　通过约束芯片底面不动,对裸芯片进行模态分析,可发现芯片的前六阶模态均为悬臂梁的振动模态。第1、第2阶模态为两根悬臂梁在敏感方向(X方向)的摆动,模态频率均为81.58 kHz,已经足够高。第3、第4阶模态的频率均为247.90 kHz。封装器件在冲击环境中使用时,除了主要承受X方向的应力波之外,还可能会承受Y、Z方向的应力波作用。所以主要是如下三个振型,管壳壁在X方向(也就是加速度的加载方向)和Y方向的摆动以及管壳盖板在Z方向的凹凸变形,分别称为振型X、Y、Z。

　　封装结构灌封前后前八阶模态频率如表2所示,相应的振型示于图3和图4。未灌封情况下,加载方向的振型X的模态频率为121kHz,比悬臂梁的振动基频81.6 kHz高出约40 kHz,符合封装要求。比较图3和图4可知,无灌封模型与灌封模型(E=9 GPa)相比,前八阶的振型相似,只不过振型的阶序不同。其中第1、2阶模态均为悬臂梁在敏感方向的振动模态,其他振型仍表现为管壳的振型。