DataType: 2

Title-题名: MEMS谐振式加速度计低应力封装与热结构分析

Author-作者:古旻;

Source-学位授予单位: 南京理工大学

Year-年: 2024

PubTime-发表时间: 2024-03-01

Keyword-关键词: MEMS谐振式加速度计;贴片工艺;应力隔离结构;低应力封装;热结构分析

Summary-摘要: MEMS谐振式加速度计具有小型化、低功耗、高精度以及低成本等优点,相比于电容式等其他原理的MEMS加速度计,具有更大的动态范围以及更高的灵敏度,但受应力的影响也更为显著。谐振式加速度计通过检测谐振器频率的变化反映外界加速度的变化,而频率变化的本质是其谐振器的应力发生变化。然而,环境温变造成的MEMS加速度计的封装材料产生热失配问题,以及PCB热源分布不合理造成的温度场不均匀等问题,均会产生热应力作用于谐振器,继而造成谐振器频率漂移,形成测量误差。因此,低应力封装技术是研制高性能MEMS谐振式加速度计必须攻克的关键技术之一。降低器件级封装应力、平衡加速度计PCB板热结构分布对整个加速度计系统的性能和可靠性提升有重要意义。本文对MEMS谐振式加速度计的低应力封装技术和热结构分析技术展开研究,研究的主要内容包含:首先,基于加速度计谐振器的工作原理,分析温度影响谐振器频率漂移规律。通过粘接胶材料特性测试实验得到的材料参数,建立加速度计器件级封装三层结构应力和变形理论计算模型,并进一步分析粘接胶杨氏模量、热膨胀系数以及芯片衬底厚度对被粘接物体的应力和变形的影响机理,总结不同粘接胶在不同温度环境条件下的规律,为加速度计器件级封装粘接胶的选取提供参考依据。其次,建立MEMS谐振式加速度计封装热应力的有限元计算模型,并提出四种封装级应力隔离结构与加工的设计方案。计算表明,U型梁构成的隔离结构对热应力的抑制效果最为显著;然后,针对四种隔离结构进行贴片工艺设计与对比,通过隔离结构变形测试试验,证明了U型梁式隔离结构进行四点边缘点胶工艺能够最大程度地抑制芯片衬底的上表面应力,降低超过90%的封装应力;最后,开展低应力封装后的加速度计温度性能测试试验,其谐振器温度频率系数平均为-30.71ppm/℃。最后,通过简化加速度计PCB板结构,针对系统的几种典型热源以及传热方式进行分析,建立加速度计系统级温度场仿真模型,与试验测试结果的误差为7.3%;基于该模型分析四种典型的电子芯片热结构设计方法对加速度计陶瓷管壳温度场的影响,对优化系统性能具有重要意义。通过本文的研究,建立了加速度计层合结构应力应变计算模型,实现了加速度计的低应力封装,并且建立加速度计测控电路PCB板温度模型,为加速度计温度特性研究和PCB板热结构分布设计提供了理论及实验依据。最终,加速度计样机的标度因数为111.65Hz/g,零偏稳定性为13.292μg,零偏不...

Period-期: 10

PageCount-页数: 85

SrcDatabase-来源库: 硕士

Teacher-导师: 张晶;苏岩

Degree-学位: 硕士

Organ-大学: 南京理工大学

Link-链接: https://link.cnki.net/doi/10.27241/d.cnki.gnjgu.2024.000295