氣體擺式MEMS傾角傳感器的封裝熱可靠性研究.pdf

1、基于MEMS技術(shù)的傾角傳感器近年來憑借其尺寸輕巧、低功耗、價格低廉、可靠性高等優(yōu)點,在越來越多的領(lǐng)域如汽車,導航,地震預(yù)報系統(tǒng)等有著廣泛的應(yīng)用。由于以無移動質(zhì)量塊的熱氣團代替?zhèn)鹘y(tǒng)的質(zhì)量塊,以及擁有更強的機械可靠性和抗疲勞失效能力,基于氣體的MEMS傾角傳感器成為目前人們關(guān)注的熱點。然而,相對于移動質(zhì)量塊,基于氣體的MEMS傾角傳感器的熱敏感性更難控制,而熱敏感性正是該類型傳感器熱可靠性的重要研究內(nèi)容。因此研究其熱可靠性將具有重要的現(xiàn)實意

2、義。本文重點針對氣體擺式MEMS傾角傳感器的熱可靠性問題,展開了以下研究工作:
　　1)通過調(diào)研,研究了氣體擺式MEMS傾角傳感器的制作過程、封裝結(jié)構(gòu)和工作原理,根據(jù)其基于自然對流的特殊敏感機理,發(fā)現(xiàn)靈敏度偏低是制約傳感器性能的關(guān)鍵,提出該類型傳感器的研究重點:靈敏度。
　　2)根據(jù)熱傳導理論和自然對流理論,結(jié)合傳感器實際模型,從理論上分析了影響靈敏度的關(guān)鍵因素:氣體介質(zhì),壓強,熱源溫度、環(huán)境溫度及封裝體結(jié)構(gòu),并通過有限元仿

3、真的方式對這些因素分別進行探索,得到了傳感器靈敏度隨上述因素變化的數(shù)值規(guī)律。
　　3)綜合考慮成本、安全性等因素確定了CO2作為本文研究所依據(jù)的介質(zhì),并在此基礎(chǔ)上,從提高氣體壓強和熱源溫度的組合方式對傳感器靈敏度角度進行了優(yōu)化設(shè)計。利用有限元仿真結(jié)果觀察氣體流速大小和溫度場分布的方式,提出了封裝體和靈敏度的關(guān)系和封裝體優(yōu)化方法;同時利用熱—結(jié)構(gòu)應(yīng)力耦合仿真分析的方式,研究了傳感器的熱—機械應(yīng)力可靠性問題。
　　4)通過實驗熱

4、測量,對傳感器組裝在PCB板上后的引腳熱分布不均問題進行了研究分析;記錄傳感器各個引腳的溫升情況,初步探索傳感器芯片各個引腳的溫升快慢,得到PCB布局的一般規(guī)律,進而為提高傾角傳感器的熱可靠性提供設(shè)計依據(jù)。
　　研究結(jié)果表明:1)通過對比將邊界溫度加載到封裝體上和加載到流體域上兩種不同的邊界條件加載方式,發(fā)現(xiàn)了以往將邊界溫度加載到流體域上的仿真方法存在較大誤差,將邊界溫度加載到封裝體上能更好的預(yù)測氣體的溫度分布;2)氣體壓強和熱源

5、溫度越大,靈敏度增速越大;3)在低壓情況下(不超過9個大氣壓)傳感器靈敏度最高的點為距離熱源0.07mm位置處,次高點在0.35mm位置處(約熱源與傳感器邊界的2/3位置),但隨著氣壓的增大,靈敏度次高點的位置會向內(nèi)發(fā)生偏移;4)熱源溫度和氣體壓強的組合優(yōu)化不能僅局限在熱源與氣壓范圍內(nèi),傳感器封裝體的優(yōu)化應(yīng)在增加氣體流速的前提下盡量增加其溫度場的分布寬度;5) MEMS芯片的懸臂梁結(jié)構(gòu)是整個傳感器最容易失效的部位,熱源的熱應(yīng)力幾乎全部集