高g值加速度传感器封装的实验研究Word文件下载.docx
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高g值加速度计主要使用两种不同的材料：
第一种是陶瓷，已经被广泛商业化应用于Draper加速度计中；
另一种是金属（主要是不锈钢），比如ENDVCO的7270A，PCB的3991A11以及KISTLER的8742A100.
作为MEMS高g值加速度的关键技术之一，封装工艺被广泛的研究并试图提高他的可靠性和性能。
但从现有的书面报告来看，很多工作着手于建模和方针，有关的实验性研究仍很缺乏。
本文中，我们引入了有关传感器可靠性和性能的封装效应的实验研究。
结合拉曼光谱，我们对不同封装材料和不同封装胶的传感器的残余应力进行了大量的测试。
我们也测试了不同条件下传感器的性能变化情况。
最后，我们将封装好的高g值加速度计应用于投射实验，并且测试了不同的封装外壳。
密度（kg、
）
杨氏模量（Gpa）
泊松比
热导率（w/m℃）
热膨胀系数（ppm/℃）
硅
2330
190
0.3
100
3.1
EPO-TEKH70E
1500
3
0.9
186
不锈钢
7900
200
25.96
16
陶瓷
3750
307
0.28
21.8
7.5
2.实验
2.1高g加速度计的设计与制造
基于硅的MEMS压阻高g加速度计的设计是基于悬臂梁——质量块结构（见图1（a））。
这种设计可测量的加速度范围是150000g，抗过载能力是200000g。
当传感器在感应方向（Z方向）上有输入时，根据FEA仿真，见图1（b），我们可以计算出结构表面的压力分布情况。
200000g在感应方向上输入，最大的应力是46.733Mpa，要远小于Si所允许的应力。
X和Y方向上的应力分布可以。
计算出来，压阻制造区域可被选择，见图1（b）。
4个压阻分别制造在4个悬臂梁上，形成一个惠斯通电桥以测量Z方向上的加速度。
体硅工艺用于加速度传感器的制造，详细的工艺流程见参考文献13.14.工艺过程中使用到了N型半导体双面抛光的硅片。
主要工艺流程是：
压阻的掺杂，背面刻蚀（KOH湿法），电极连接（AL溅射），ICP刻蚀（结构施放），Si-玻璃键合。
传感器制造完成后的结构见图1（c）。
2.2高g加速度计封装
在封装过程中，高g加速度计的MEMS结构要与封装管壳互联，要有一个引线互联的工艺来形成MEMS结构和电信号处理电路的电互联。
所有在本研究中使用的材料成分见表1.
EPO-TEKH70E用于粘结MEMS结构和封装管壳的封装胶。
EPO-TEKH70E有两种成分，热导体和电绝缘环氧基树脂（被用于微电子和光电子设备的芯片连接）。
两种成分混合比例为1:
1的EPO-TEKH70E是个本实验所采用的。
而且粘结结构的烘烤时间为85C，90min。
引线粘结用的是球楔形引线粘结剂7700E（由WestBond生产并提供），这种粘结剂使用球楔形技术，用超声能量和WorkPiece加热生产而成。
Au线使用直径为50um。
2种不同的管壳材料作为封装材料被测试：
陶瓷和不锈钢。
制造的管壳结构如图。
2.3高g值加速度计的测试和校准
封装胶对于加速度计性能的影响主要决定于残余应力的变化和封装前后阻值的不同。
拉曼光谱用于定量的测量封装前后残余应力的变化。
拉曼光谱仪InVia由英格兰的Renishaw公司生产，被用于测量拉曼光谱。
测试的激光波长为514.5nm，激光能量为5mw。
实验过程和计算方法的细节在我们之前出版物15.16中有详细的描述。
所有实验都是在室温中进行的。
封装之后，传感器的灵敏度由MasterHammer来测试。
抗过载能力使用HopkinsonBar来分析。
最后，传感器在发射实验中被测试以分析其不同封装在真实环境中的性能。
所有加速度计的电学性能使用微微安计来测试。
图1.高g传感器结构：
（a）MEMS结构和剖面图。
（b）加速度计结构的FEA仿真（c）MEMS高g加速度计的光学图像
图2．封装后加速度计的图像：
（a）陶瓷封装（b）不锈钢封装
图3.封装胶对加速度计的影响：
（a）封装前后的残余应力变化（b）封装前后的压阻变化
3.结果和讨论
3.1封装胶效应对结构体残余应力的影响。
由于机械约束和热膨胀系数在硅片，封装胶和衬底之间的不吻合，导致了封装后热应力的产生。
热应力引起残余应力并传到机械结构上。
封装胶的厚度不同对传感器性能的影响是被研究的对象。
本实验中使用不锈钢作为封装材料。
通过控制封装胶的数量，我们可以得到2种不同厚度的封装胶：
70um和200um。
对于厚的封装胶，由于数量较大，会出现封装胶溢出的现象，硅片会深入胶约150um。
残余应力由拉曼光谱来测量，并且封装前后都进行了测量。
对于每一次测试，我们选择了在压阻上的6个不同点来进行，最后计算残余应力的平均值，并显示在图3（b）上。
从图3（a）和图3（b）的数据中，我们可以得出结论：
封装胶薄的组，残余应力由-41.5193Mpa到76.4925Mpa变化，从而引起更大的压阻变化：
从2.755kΩ到2.781kΩ。
但对于带有溢出的厚封装胶，封装前后的残余应力和压阻变化都要更小一些：
从-34.503Mpa到4.4847Mpa，和从2.848KΩ到2.857KΩ。
我们进行了重复试验并且得到了3组数据。
当封装胶的厚度为70um和200um时，残余应力的变化为：
83.067Mpa，105.336Mpa，118.011Mpa和38.8473Mpa，42.587Mpa，56.962Mpa。
压阻的变化量为：
24,25,26和9,11,14.所以测量的结果具有很好的可靠性和重复性。
由封装引起的残余应力可以归因于MEMS结构，封装胶和管壳之间的材料的不同。
（可以由表一看出），在封装过程中，胶的厚度与热应力成反比，而且胶可以作为热应力的缓冲剂。
胶越厚，缓冲作用越大，测得的热应力越小。
胶的厚度和MEMS结构的残余应力的浸泡效应已经可以被量化并测量，而且与我们通过对高g加速度计实验得到的结果一致，但是在本实验中，我们发现，过多的封装胶可能引起过多的溢出会污染MEMS结构，从而导致加速度计的失效。
所以，通常我们把胶的厚度控制在200um范围内并且对于工程应用来说溢出在150um内。
3.2封装管壳材料对结构残余应力的影响
封装管壳材料是影响残余应力的另一个重要因素。
本实验共研究了2种不同的管科材料：
从表1中，我们可以看见不同材料之间的差异，管壳材料不同，由封装引起的压阻表面热应力也不同，因为不同材料的热膨胀系数不同。
从拉曼实验结果我们可以得出（见图4（a））：
陶瓷封装的加速度计的残余应力由38.735Mpa增长到70.501Mpa。
而由不锈钢封装的则变化范围更大：
从-52.369Mpa到79.205Mpa。
我们认为，这种差异产生的原因是由于不锈钢的CTE远大于陶瓷的CTE。
在封装过程中，传感器和不锈钢的管壳之间的不同要比其与陶瓷的不同大很多，所以热应力应该是陶瓷更大。
残余应力的差异也引起压阻的变化。
如图4（b）所示，我们可以得出结论：
陶瓷封装的传感器，电阻变化为8，他比不锈钢的22要小。
另外2组实验也对封装的管壳材料进行了测试，对于陶瓷和不锈钢封装的传感器的残余应力分别为：
27.515Mpa，28.152Mpa和159.061Mpa，166.242Mpa，压阻分别为：
5Ω,6Ω和24Ω,25Ω.测试结果有很好的可靠性和重现性。
3.3封装效应对传感器性能的影响
再把传感器芯片与管壳结构连接到一起之后，使用Ball-Wedge线粘合剂，加速度计与扩散的信号处理电路连在了一起。
加速度计的输出信号被放大了20倍，参考电压为1.3V。
3.3.1不同传感器封装的热效应
考虑到高g加速度计可能工作在不同温度下，我们必须研究不同封装传感器的温度稳定性。
输出电压（没有多余的加速度输入）在温度从30C到70C变化时被测量，测试结果见图5.
压阻的热效应已经在参考文献16中给出。
但在本实验结果中，我们发现在30-70C温度变化下，薄的封装胶具有很差的热稳定性。
（见图5（a））。
我们认为，这是由于不同封装胶的厚度不同造成的。
由于EPO-TEKH70E（如表1所示）有很差的热导率，作为绝热体以减少热应力的封装胶，其越厚，电阻变化越小，输出电压越稳定。
同样的实验也用于测试不同材料封装的传感器，结果见图5（b），本实验结果显示：
与陶瓷封装相比，由于不锈钢有更好的热导率和更大的热膨胀系数，不锈钢的输出电压稳定性更差。
通过类似的实验，我们得出：
当封装胶分别为70um和200um时，输出电压的变化分别为：
0.0916v，0.1208v，0.1335v和0.0501v，0.0525v，0.0554v。
当封装分别为陶瓷和不锈钢时，输出电压的变化分别为：
0.0272v，0.0401v，0.0458v和0.1467v，0.1678v，0.1824v。
3.3.2灵敏度测试
陶瓷和不锈钢封装的高g加速度计的灵敏度由MasterHammer来测试。
传感器由3个螺钉紧紧固定在锤上（如图6（a）所示），另有一个参考加速度计（已被校订）也被固定以用于测量施加的加速度。
加速度由10000到30000g范围内变化，测试结果被显示在图6（b），6（c）中，从图中数据可以得出以下结论：
不锈钢封装的灵敏度为0.2944uV/g，而陶瓷封装的灵敏度为0.1369uV/g。
灵敏度的差异主要由陶瓷和不锈钢之间不同的应力波传播特性不同引起。
传感器上所施加的最大负载见下面等式：
Cev0是波速，2πRh是封装管壳的结构参数。
P是管壳的密度，E是管壳的杨氏模量。
从等式
（1）
（2）中我们可以得到：
最大负载与Ep成正比，根据表1，Ep的值是不锈钢大于陶瓷，所以，在相同的冲击下，不锈钢管壳比陶瓷管壳具有更大的负载。
而且，不锈钢封装的传感器比陶瓷封装的有更大的灵敏度。
而且，不锈钢封装对于冲击信号有更好的回应。
3.3.3抗过载能力测试
封装是影响高g加速度计抗过载能力的重要因素之一，而封装结构和封装材料又在传感器的封装中起到了重要作用。
陶瓷结构和不锈钢结构的高g加速度计由HopkinsonBar加载进行测试（见图7），测试结果显示在表2和图8上。
表2中列出了所有测试的不同加速度环境。
当有高加速度输入时，在不锈钢封装结构上测出了高灵敏度。
当我们把加速度增加到198.679g时，陶瓷封装的管壳破裂（见图8（b）），而且从传感器的输出电压来看，我们发现，传感器的MEMS结构也发生了破坏（图8（d））。
但对于不锈钢封装而言，我们把冲击加到了212.310g，传感器仍然有有效地输出信号。
在相同的冲击加速度下，陶瓷封装的传感器失效（图8（b）），并且没有有效输出信号是因为外壳破裂致使传感器没有了可靠性。
而不锈钢封装的传感器具有正常的输出信号（图8（c））。
这表明不锈钢封装结构具有更好的可靠性和更强的抗过载能力。
原因在于：
不锈钢结构的强度要比陶瓷大。
所以，不锈钢管壳更适合于做高g加速度计的管壳封装。
3.3.4投射实验
最后，不同封装的高g加速度计在投射实验中测量他们的可靠性。
详细的测试系统和过程已经在之前出版的文章中提及【19】；
首先，不同封装的高g加速度计在投射前被安装在投射物中。
然后在投射过程中，设备得到并存储投射物的实时动力投射信号。
在投射完成之后，投射物被从靶上取回，被记录的数据从记录仪器上取回并且进行数据分析。
测试结果被显示在图9中，投射加速度被2个加速度计清晰地测量，被显示在图9（a）和图9（c）中。
从测试结果中可以看出：
陶瓷封装的加速度计测出的最大加速度为7100g，而不锈钢封装测出的值为9650g。
进一步将加速度数据与时间相结合，可以计算出投射物的速度，见图9（b）和图9（d）。
陶瓷和不锈钢封装测出的速度分别为475.0m/s和482.6m/s。
在实验过程中，使用高速摄像机来监视投射过程，并得到实际投射速度为483.6m/s。
对于不同封装的2个加速度计测出的数据，可以得出：
不锈钢封装的加速度计具有更小的错误率，为0.206%。
而对于陶瓷封装的加速度计，其错误率要更大，为1.78%。
图4.管壳材料对加速度计的影响：
（a）封装前后残余应力的变化（b）封装前后压阻的变化
图5.温度效应对传感器输出的影响：
（a）不同的封装胶厚度（b）不同的管壳材料
图6.不同封装管壳的灵敏度测试：
（a）实验安装（b）陶瓷封装的灵敏度测试（c）不锈钢封装的灵敏度测试
图7.霍普金森杆的实验系统
图8.抗过载能力测试：
（a）和（c）是陶瓷封装的图片和电压输出。
（b）和（d）是是不锈钢封装的图片和电压输出。
图9.不同管壳封装的传感器投射实验：
（a）和（b）是陶瓷封装传感器在投射实验中的加速度和速度。
（c）和（d）是不锈钢封装传感器在投射实验中的加速度和速度。
表2.不同管壳材料加速度计的抗过载能力测试结果
封装材料
加速度（g）
输出电压（V）
137.559
1.418
152.560
1.436
171.403
1.460
198.679
传感器失效
95.289
1.550
129.118
1.605
212.310
1.990
4.结论
总结起来，我们对不同封装的高g加速度计的性能的影响进行了实验研究。
残余应力是封装中最重要的因素之一。
残余应力主要由管壳，封装胶和MEMS结构材料之间的差异引起。
而这种影响对于MEMS压阻传感器是至关重要的。
通过改变封装胶的厚度，我们发现，胶越厚，残余应力的增加量越小，由残余应力引起的压阻变化也越小。
同样，封装胶也可以作为热的绝缘层并且胶越厚，传感器输出的温度系数就越小。
另一个高g加速度计封装的重要因素是管壳。
本文中主要讨论了陶瓷和不锈钢管壳。
可以得出结论：
陶瓷封装的残余应力和压阻变化量都更小。
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