气体摆式MEMS倾角传感器的封装热可靠性研究

摘要

基于MEMS技术的倾角传感器近年来凭借其尺寸轻巧、低功耗、价格低廉、可靠性高等优点,在越来越多的领域如汽车,导航,地震预报系统等有着广泛的应用。由于以无移动质量块的热气团代替传统的质量块,以及拥有更强的机械可靠性和抗疲劳失效能力,基于气体的MEMS倾角传感器成为目前人们关注的热点。然而,相对于移动质量块,基于气体的MEMS倾角传感器的热敏感性更难控制,而热敏感性正是该类型传感器热可靠性的重要研究内容。因此研究其热可靠性将具有重要的现实意义。本文重点针对气体摆式MEMS倾角传感器的热可靠性问题,展开了以下研究工作:
　　1)通过调研,研究了气体摆式MEMS倾角传感器的制作过程、封装结构和工作原理,根据其基于自然对流的特殊敏感机理,发现灵敏度偏低是制约传感器性能的关键,提出该类型传感器的研究重点:灵敏度。
　　2)根据热传导理论和自然对流理论,结合传感器实际模型,从理论上分析了影响灵敏度的关键因素:气体介质,压强,热源温度、环境温度及封装体结构,并通过有限元仿真的方式对这些因素分别进行探索,得到了传感器灵敏度随上述因素变化的数值规律。
　　3)综合考虑成本、安全性等因素确定了CO2作为本文研究所依据的介质,并在此基础上,从提高气体压强和热源温度的组合方式对传感器灵敏度角度进行了优化设计。利用有限元仿真结果观察气体流速大小和温度场分布的方式,提出了封装体和灵敏度的关系和封装体优化方法;同时利用热—结构应力耦合仿真分析的方式,研究了传感器的热—机械应力可靠性问题。
　　4)通过实验热测量,对传感器组装在PCB板上后的引脚热分布不均问题进行了研究分析;记录传感器各个引脚的温升情况,初步探索传感器芯片各个引脚的温升快慢,得到PCB布局的一般规律,进而为提高倾角传感器的热可靠性提供设计依据。
　　研究结果表明:1)通过对比将边界温度加载到封装体上和加载到流体域上两种不同的边界条件加载方式,发现了以往将边界温度加载到流体域上的仿真方法存在较大误差,将边界温度加载到封装体上能更好的预测气体的温度分布;2)气体压强和热源温度越大,灵敏度增速越大;3)在低压情况下(不超过9个大气压)传感器灵敏度最高的点为距离热源0.07mm位置处,次高点在0.35mm位置处(约热源与传感器边界的2/3位置),但随着气压的增大,灵敏度次高点的位置会向内发生偏移;4)热源温度和气体压强的组合优化不能仅局限在热源与气压范围内,传感器封装体的优化应在增加气体流速的前提下尽量增加其温度场的分布宽度;5) MEMS芯片的悬臂梁结构是整个传感器最容易失效的部位,热源的热应力几乎全部集中在悬臂梁上;6)不同 PCB布局方式对 MEMS芯片各引脚的温升速率有很重要的联系,保证 MEMS芯片在贴装到PCB板上后每个引脚的覆铜面积差不多和使各无源元器件距MEMS芯片引脚的距离差不多是芯片各引脚温度均匀性的重要保证。
　　本论文的研究工作及结果将对该类型传感器的优化设计和PCB组装方案提供参考,为提高传感器的热可靠性研究提供了依据和技术支持。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 课题研究背景及意义

§1.3 课题国内外研究现状

§1.4 课题研究思路及技术路线

§1.5 课题主要研究内容

第二章 MEMS倾角传感器模型介绍和基本理论

§2.1 制造过程

§2.2 工作原理概述

§2.3 工作原理的有限元模拟

§2.4 本章小结

第三章 MEMS倾角传感器的热灵敏度分析

§3.1理论基础

§3.2气体介质的选择

§3.3灵敏度最大处位置的确定

§3.4热源温度对MEMS倾角传感器灵敏度的影响

§3.5气压对MEMS倾角传感器灵敏度的影响

§3.6本章小结

第四章 MEMS倾角传感器的热优化设计

§4.1优化试验设计

§4.2封装体外形优化

§4.3热—结构耦合分析

§4.4本章小结

第五章 PCB布局对MEMS倾角传感器热分布影响的实验探究

§5.1实验设计

§5.2 实验结果与分析

§5.3 优化传感器PCB布局的措施

§5.4本章小结

第六章 总结与展望

§6.1全文总结

§6.2后续研究和展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果