声-振动多功能传感器减振封装研究

    1 引言

    MEMS 器件与传感器经过近十年的发展已相当成熟，目前已有部分产品实现了批量生产，因此裸芯片的价格可望得到大幅度下降。 开发低成本的封装方法，满足 MEMS 产品封装的制造成本将成为制约 MEMS 产品市场进一步扩大的关键因素。

    目前投入使用的战场传感器有振动传感器 （通过仪器的拾震装置来捕捉人员或车辆活动引起的震动信号）、 声传感器（利用能够灵敏地接受战场声响探测装置， 分辨侦察区域内敌方目标的性质，监视其活动情况）。

    2 传感器减振部分的计算机模拟

    2.1 实体建模

    减振模型如图 1 所示。

    2.2 改变空腔尺寸及整体高度进行模态分析

    模型整体尺寸设为 8×8×1.5mm， 空腔 底面边长 (3.4×3.4mm)不变，增加空腔的高度，模拟结果如表 1 所示。 由表 1 可知，随空腔高度的增加（质量的减小），固有频率在减小。

    模型底边尺寸设为 8×8，空腔体积不变（3×3×0.58mm），增加空腔上部橡胶的厚度，结果如表 2 所示。 结果表明，随模型总体积（质量）的增加，固有频率在减小。

    结果表明：由于振动传感器频率测量范围是 0-1kHz 的信号；声传感器测量的主要是人的语音信号（850Hz 左右）。 综合考虑微振动-声多功能传感器的测量范围和模型的减振效果及传感器本身尺寸的限制，选择高为 1.5mm，空心高为 0.8mm、底面边长约为 3.4mm 的模型（固有频率约为 3000Hz），可以满足减振封装设计的要求。

    2.3 模型的静态分析

    静态分析确定橡胶模型上力的分布和模型对力的承受能力及减振情况。 整体为 8×8×1.5，空腔为 3.4×3.4×0.8 的模型(单位：mm)。

    在距底面 0.1mm 的节点上加力。 表 3 列出所选节点的节点号与 FZ 方向的应力及载荷力。

    表 3 选中节点的应力和载荷力与施加力及等效压强比较

    分析表中的数据：加在模型底面的应力(或力)，传到上表面后减小，表明整体为 8×8×1.5mm、空腔为 3.4×3.4×0.8mm 的模型具有减振作用；上表面应力分布发生变化，芯片边缘应力增大。

    2.4 全瞬态分析的过程

    瞬态的分析过程， 束缚芯片上表面， 在橡胶下底面施加4.11e-9cos（628t）N（沿 Z 方向）的变力。 拾取 Y=0 轴上、0≤X≤0.004 范围内的一个节点，记录所选节点的节点号和坐标。 在底面施加 4.11e-9cos（6280t）N（沿 Z 方向）的力。 橡胶底面和表面在同一直线的节点及相应的载荷力，如表 4 所示。