 耐高温MEMS 加速度计设计及温度特性优化摘要： 利用高温 SOI ASIC 制造工艺和微机电系统 （MEMS） 技术，研制了更宽温区 （-55~225 ℃）的耐高温 MEMS 加速度计，拓宽了 MEMS 加速度计的使用范围。并对高温环境下的 MEMS 加速度计的温度特性进行研究。影响加速度计零偏温度系数的主要因素是应力，在应力过大的情况下，MEMS 加速度计的结构会发生形变，导致零位偏移、温度漂移过大。基于有限元分析，从高温加速度计封装入手，通过优化封装应力，提高 MEMS 加速度计的温度性能，将全温零偏变化量减小至0.002 5g 以内。加速度计量程达到了±50g，满量程线性度优于 0.3%，可以满足航空航天、石油钻井等各种复杂高温环境的应用要求。 0 引言 微机电系统（MEMS）是将机械、电子、光学及其他一些功能元件集成在单芯片或多个芯片上，能够对声、光、电、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型系统[1]。MEMS 加速度计具有成本低、体积小、可靠度高、易于批量生产等优点。常见的MEMS 加速度计工作温度为-55~85 ℃，无法满足更高温工作环境的应用需求。耐高温加速度计的典型应用环境包括钻井勘探、深井测振、航空航天等，部分装备的电子器件需要工作在超高温的环境中[2-5]，工作温度至少为 200 ℃。目前国内耐高温类型的传感器主要为压力传感器，在航空、航天、国防、能源开发等领域有着广阔的应用需求。耐高温 MEMS 压力传感器主要以硅（Si）基压力传感器为主，利用绝缘体上硅（SOI）技术，实现耐高温加速度计的制作[6]。国外 AD 公司推出一款-40~175 ℃的耐高温 MEMS 加速度计 ADXL206，量程为±5g，其工作温度也未能达到上述航空航天等应用需求。本文针对耐高温 MEMS 加速度计展开研究，在完成其设计与加工的基础上，进一步提出了封装优化方案。高温加速度计的封装难点在于常规有机材料在超过 200 ℃的环境下易老化分解[7]，导致可靠性显著下降。此外，在 MEMS 加速度计的生产加工过程中，材料性能易受工艺及外界条件影响，致使器件结构内部产生应力，最终影响加速度计全温区性能。而影响加速度计温度性能的主要因素是材料膨胀系数不匹配[7]和封装应力[8]。通过有限元分析手段[9]，对高温加速度计的封装工艺进行了优化，尤其是芯片黏接胶的形貌和厚度等；对热应力和安装应力进行仿真分析，从而合理地控制、改善加速度计的温度特性。利用耐高温的陶瓷封装搭配平行缝焊的封装工艺，提高了耐高温加速度计的可靠性。 1 加速度计敏感结构及 ASIC 电路 1.1 MEMS 加速度计敏感结构 加速度计敏感结构模型如图 1 所示。开环工作方式下，支撑梁提供的弹性力与加速度产生的惯性力相平衡，平面运动的微机械加速度计的敏感结构可以等效为质量块-弹簧-阻尼二阶系统，XY 轴 MEMS 加速度计原理如图 2 所示，其动力学方程为  其中 M 为敏感结构的质量，D 为芯片内部封装气体阻尼系数，K 为弹簧刚度，x 为质量块相对于被测对象的位移，a 为被测对象的加速度。   平面轴加速度计的检测电极采用变间隙电容形式，可以最大程度增加结构电容检测灵敏度。由于变间隙电容的尺寸比带梳齿结构的变面积电容小很多，在相同芯片面积条件下可以分布更多的电容对数。 变间隙差分电容检测灵敏度 ΔC 为  其中 A 为电容极板面积，ε 为介电常数，d0 为初始电容间隙，n 为检测电容对数。 加速 度 计设 计 量 程 覆 盖 5g~200g，本 文 以 50g为 例 进 行 阐 述 。满 量程 线 性 度 ＜ 0.3 % ，结构 工作频 率 5500 Hz。 MEMS 芯片 结 构 主 要 参 数 如 表 1所示。  1.2 耐高温 ASIC 电路 基于高温 SOI 工艺平台完成了ASIC 电路设计及加工，该芯片能在-55~225 ℃高温环境中持续工作。图3 为 ASIC 芯片系统框图。  2 加速度计封装设计及优化 2.1 加速度计封装方案 耐高温加速度计采用陶瓷封装，如图 4 所示，MEMS 芯片 和 ASIC 芯片采用 叠 层 封装 ，MEMS 在下，ASIC 在上。MEMS与陶瓷管壳之间通过硅垫片过渡，可以提高两者的热膨胀系数匹配度。芯片黏接选择耐高温黏接胶。整个产品体系中，陶瓷管壳、黏接胶、键合金丝、MEMS 芯片、ASIC 芯片均采用耐高温设计，满足产品-55~225 ℃的温度使用范围要求。  ASIC 和 MEMS 芯片均 采 用 SOI 工 艺 ，能 满 足-55~225 ℃的工作温度范围。采用的某型号黏接胶玻璃化转变温度和工作温度均大于 250 ℃，因此在该封装体系中，高温加速度计的工作温度可以满足 225 ℃的要求。耐高温加速度计利用陶瓷管壳进行密封处理，内部填充高纯氮气，即使在 225 ℃的高温环境中，也能防止金属的氧化失效。 2.2 加速度计封装优化 加速度计是对应力敏感的器件，MEMS 的压力敏感结构为梳齿电容结构（见图 1），可动极板容易受到应力的影响产生变形，导致加速度计的电容发生变化，从而产生零偏变化。无论是外部的安装应力还是内部的热应力都会对 MEMS 敏感结构的电极施加应力，导致加速度计零偏变化。外部应力可通过金属壳体传递到加速度计陶瓷管壳上，再通过陶瓷管壳传递到内部的 MEMS 芯片上。加速度计本身的封装材料产生的热应力会直接作用到 MEMS 芯片上，使敏感结构产生变形，导致加速度计零偏变化，不同温度下的热应力变形反映到加速度计 指 标 上 即零偏变化量。 2.2.1 装配应力仿真 加速度计的工作温度高，需对加速度计的封装进行优化，利用有限元分析的手段，通过模拟不同的胶水形貌、胶水厚度，选择一种温度性能最优的封装方案。MEMS 加速度计所用管壳、黏接胶、MEMS 芯片、硅垫片的材料参数如表 2 所示。  建立加速度计有限元模型，加速度计陶瓷管壳等均采用 Solid 186 单元，对于管壳的盖板这类比较薄的结构，采用 Shell 63 单元，提高网格划分精度。模拟加速度计实际使用的环境，即焊接到电路板并通过螺钉安装到金属壳体内部的工况，有限元模型如图 5 所示。  黏接胶直接与加速度计管壳及内部芯片接触，而MEMS 加速度计是对应力敏感的器件，因此黏接胶对MEMS 芯片的影响非常大。 机械壳体底部为螺纹安装孔，边界条件为将底部固定，安装力矩设置为 80 N·cm，将螺钉的力矩转换为对螺钉接触面的压力作用到螺纹孔底面。利用有限元软件进行网格划分，改变模型中管壳黏接胶的厚度，得到 MEMS 芯片上不同部位的应力，如表 3 所示。这里黏接胶在工作温度范围内等效为线性弹性体，不考虑其非线性因素。  通过仿真可以看出，黏接胶越厚，MEMS 芯片受到安装力矩的影响产生的应力越小，这是由于外界传递到芯片上的力通过黏接胶得到释放，黏接胶越厚，应力释放效果越明显，对 MEMS 芯片的影响越小。这里主要是将黏接胶等效为线性材料，胶厚是影响应力传递的主要因素，但是胶厚却带来另外一个问题：热应力。 2.2.2 热应力仿真 利用建立的传感器系统模型，将模型的单元转换为力热耦合单元，先将安装力矩设为 0，只考虑热应力对芯片的影响。芯片黏接胶厚 30 μm，传感器内部导热绝缘胶厚0.3 mm，将环境温度场从-55 ℃升温 至225 ℃，计算 MEMS 芯片受到的热应力。温度的边界条件为将金属壳体表面温度从-55 ℃升至 225 ℃。计算结果如图 6 所示，陶瓷管壳最大热应力约为58 MPa，集中在管壳侧壁，对敏感结构影响最大的位置为芯片中央区域，应力约为 45 MPa。传递到 MEMS 芯片上的热应力约为 15 MPa。  改变模型中芯片黏接胶的厚度，计算不同胶厚下传感器不同部位的热应力，如表 4 所示。  从表 3、4 的力学及热学仿真结果来看，胶越厚，外界传递到 MEMS 芯片上的应力就越小，但是随着外界环境温度的升高，胶越厚变形就会越大，芯片受到的热应力会逐渐增大。 2.2.3 力热耦合仿真 在实际使用过程中，需要综合考虑安装条件、环境温度变化等对加速度计的影响，综合考虑安装力矩、胶厚，在传感器底面施加 80 N·cm 的安装力矩，环境温度从-55℃升温至 225 ℃，分别计算 MEMS 黏接胶 4 胶点和铺满 2 种情况的效果，4 胶点及胶水铺满示意见图 7，阴影部分为胶水，MEMS 芯片尺寸为4.2 mm×4.2 mm，胶点直径控制在 100 μm。  安装应力与热应力综合作用的结果见图 8 及表5、6。   MEMS 芯片内部结构尺寸相比传感器来说要小很多，因此在有限元分析中只能将 MEMS 芯片简化为3 层硅结构，敏感方向的应力如图 9 所示。   MEMS 敏感结构模型如图 10 所示。提取上述MEMS 芯片底部受到的应力，将图 10 中锚点处的应力状态施加到 MEMS 加速度计模型的锚点处，可以得到加速度计的梳齿变形量，再根据结构电容灵敏度，可以得到加速度计输出值。由于 MEMS 敏感结构相对管壳来说尺度过小，因此采用两级仿真的方式，将上述仿真得到的应力结果作为载荷施加到 MEMS 敏感结构模型上，得到不同条件下的 形 变 量 ，再 根据MEMS 敏感结构的机械和电容灵敏度，可以计算出加速度计的零偏变化量。  不同黏接胶形貌条件下加速度计零偏变化的仿真结果如表 7 所示。  根据仿真结果，选择 4 胶点对称分布、厚度 30 μm的黏接胶形貌，加速度计所受外界应力及温度影响最小。 加速度计封装流程如图 11 所示，MEMS芯片下方采用 4 胶点对称分布、30 μm 厚度的高温导电胶，ASIC 叠层放置到 MEMS 芯片上方，陶瓷管壳通过平行封焊进行密封，内部填充高纯氮气，防止内部金属氧化，提升高温工作的寿命和可靠性。封装样品照片如图 12 所示。   3 加速度计性能验证 利用高温 SOI 工艺平台加工的ASIC 接口电路搭配 MEMS 芯片，基于前述封装工艺制造的耐高温加速度计整体尺寸为 9mm×9mm×2.7 mm。该加速度计可覆盖 5g~200g 量程，仿真及测试结果以 50g 为例。首先对加速度计进行了满量程线性度测试，加速度输入为-50g~50g，正向结果为 0.28%，负向结果为 0.21%，线性度＜0.3%。测试的7 只加速度计的满量程的线性度均在 0.3%以内，加速度计的线性度与设计吻合度非常高，结果如图 13 和表 8 所示。   在温箱中对 7 只样品进行了温度性能测试，零偏的全温输出如图 14 所示。输出电压的全温变化量小于 100 mV，归一化后，加速度为 2.5×10-3g。  相比 ADXL206，本研究设计制造的耐高温加速度计工作温度范围更宽，在-55~225 ℃可稳定工作，且量程更大，满足高温环境下各量程加速度计的需求；经过封装优化，全温性能也更具有竞争力。具体参数对比如表 9 所示。  4 结论 利用高温 SOI 工艺平台实现了耐高温ASIC 电路设计，MEMS 芯片采用梳齿电容结构，结合耐高温的陶瓷封装工艺，设计制作了一款耐高温 MEMS 加速度计。通过有限元仿真，重点对加速度计的封装工艺进行了研究，优化了黏接胶的相关参数，确定合适的工艺流程，提高了加速度计的温度性能，全温零偏变化量减小至 0.002 5g 以内，优于国外同类型产品。加速度计的体积为 9mm×9mm×2.7 mm，工作温度范围-55~225℃，量程为±50g，满量程非线性度＜0.3%。在-55~225 ℃温度范围内，加速度计工作稳定，可以满足航空航天、石油钻井等各种复杂高温环境的应用要求。 |
