高量程MEMS加速度计的热应力仿真与可靠性评估

硅压敏电阻阻值漂移过大导致输出失效是高量程MEMS加速度计在恶劣温度环境下工作的主要失效模式之一。通过模拟仿真加速度计悬臂梁、芯片结构和封装后整体模型的热应力分布情况,确定了压敏电阻所在结构梁区域是最容易失效的位置,且最大热应力分布在芯片梁与质量块倒角处,其值约为107 N/m2;通过设计的高温加速恒定应力试验验证了加速度计的温度敏感特性,根据试验数据的特征采用三种可靠度评估方法定量外推出高量程MEMS加速度计在规定应力条件下的可靠度指标。研究结果表明,加速性能退化试验和基于退化量的可靠性评估方法适用于高量程MEMS加速度计在温度环境中的可靠性研究,能够利用有限的试验数据获得可信度较高的评估结果。

高量程MEMS加速度计封装工艺研究

对一种先进的双悬臂梁高量程MEMS加速度计的单芯片封装工艺进行了失效机理分析。手工粘贴芯片盖板可靠性不高,加速度计失效是由于胶粘剂(粘贴胶或灌封胶 )从芯片盖板和芯片的间隙流淌进入悬臂梁的过载保护间隙,阻碍了悬臂梁的摆动。高量程加速度计采用单芯片封装方法时,存在芯片正面和背面保护的可靠性问题,更好的封装方法是采用圆片级封装。黑胶不适宜用作加速度计的贴片胶,至少使用聚酰亚胺膜作背面保护时如此。

灌封胶封装对高量程MEMS加速度计动态性能的影响

利用有限元模拟方法,对一种压阻式高量程MEMS加速度计进行了10万g峰值的半正弦加速度脉冲下的响应分析.灌封胶弹性模量的变化对高量程加速度计输出电压信号的影响可以忽略,且模拟输出电压的峰值与解析解接近.应力分析表明,芯片粘结胶、芯片与芯片盖板之间封接胶环的等效应力均随灌封胶弹性模量的增加而减小;弹性模量在4GPa以上的灌封胶适宜用来保护芯片.动态有限元模拟结果与自由落杆测试结果接近.

基于电容检测的高精度大量程MEMS加速度计设计

为满足系统在导航和倾角测量等领域对高精度、大量程加速度计的应用需求,设计了一种高精度、大量程微机电系统(MEMS)加速度计。加速度计敏感结构采用梳齿式结构,电容/电压(C/V)转换电路采用开关电容架构,通过斩波技术和相关双采样技术有效降低调理电路的1/f噪声。为提高系统线性度,模/数转换器(ADC)采用2阶1 bit Sigma-Delta架构,同时采用斩波技术降低ADC的失调及1/f噪声。本文设计采用0.18μm BCD工艺,调理电路面积为28 mm^(2)。测试结果表明:MEMS加速度计在±50 gn的量程下,零偏稳定性达到73.7μg,非线性度为69.3×10^(-6),总功耗110 mW。

MEMS高量程压阻加速度计侵彻双层钢靶性能测试

设计一种MEMS高量程压阻加速度计,利用其组成的弹体测试系统进行双层钢靶实弹侵彻试验,并获得完整的侵彻数据。利用Matlab数据处理软件对其进行处理,获得有效的侵彻数据。试验结果表明,弹体在整个发射、侵彻钢靶过程中,测试系统所测数据误差均小于10%,说明设计的MEMS高量程压阻加速度计性能稳定,可完全满足工程化应用要求,为研究双层介质侵彻特性及控制弹体在特定介质层的爆破技术提供参考依据。

复合量程MEMS加速度计抗高过载的优化设计

在航空航天及武器系统中,传感器承受很大的冲击,这就要求传感器具有很高的抗高过载能力。文中在原有基础上对复合量程微加速度计中的高低量程模块进行抗高过载设计的优化。试验测得优化后的结构能够抗20000g,能够有效地满足高过载高冲击环境的要求。

高量程MEMS加速度计灌封后的动态响应

对双悬臂梁高量程MEMS加速度传感器的封装结构进行了1×105g峰值的半正弦加速度冲击载荷下的有限元响应分析。灌封胶弹性模量的变化对加速度计的输出信号(输出电压、悬臂梁的挠度)的影响可以忽略。输出电压曲线的峰值与解析解接近。加速度计的悬臂梁表现为有阻尼下的受迫振动,并表现出悬臂梁的固有频率特性。输出信号的峰值与加速度载荷的峰值均呈很好的线性关系。灌封胶的弹性模量大于4GPa时胶已经足够硬,适宜用于保护芯片。

一种振动测量用电容式硅基MEMS加速度计

为了解决目前微电子机械系统(MEMS)加速度计在振动测量领域量程小和振动测量精度低等问题,基于绝缘体上硅(SOI)加工工艺,设计并制作了一款梳齿电容式MEMS加速度计。通过提高工作模态频率和干扰模态频差,提升了加速度计振动环境适应性;加速度计量程达到±50g,非线性度0.2%,横向灵敏度0.17%,分辨率优于0.5mg,体积9 mm×9 mm×2.7 mm,功率损耗30 mW。针对随机振动环境对加速度计的输出精度进行了实验验证,结果表明,MEMS加速度计与标准传感器的输出误差为2.69%,能够满足大部分工程应用需求。

±16g三质量块三轴MEMS电容式加速度计的设计

微电子机械系统(MEMS)惯性传感器(如加速计、陀螺仪)具有高性能、低功耗、低成本、集成度高、可靠性高、体积小等特点。但MEMS传感器交叉串扰仍较大,影响了加速度的测量。该文设计了一个量程为±16 g的三质量块三轴MEMS电容式加速度计结构,通过对所设计的结构进行静力学分析和模态分析,保证加速度计良好的抗过载能力。仿真结果表明,该结构实现了模态分离避免了模态干扰,且交叉灵敏度均小于0.3%,有效地降低了交叉串扰。

MEMS高量程加速度传感器的动态特性分析

利用霍普金森杆激光干涉冲击试验台对实验室研发的MEMS高量程压阻式加速度传感器进行动态校准;采用两种不同解算方法对实验数据将进行分析处理,求解出该传感器的幅频特性,绘制了对数幅频特性曲线;通过对比两种算法的结果知道,镜像映射法优于FFT算法,其算法简单有效,能直接辨识出系统模型参数和模型阶次。

大量程闭环MEMS加速度计非线性分析与优化法

为研究大量程翘翘板摆式闭环MEMS加速度计系统的输出非线性,分别从质量块受力不平衡所产生的平动效应以及电路零位引起质量块闭环平衡位置偏差两个主要误差源入手,建立了两种误差引起加速度计非线性的数学模型,并采用ANSYS和Simulink软件对传感器结构及系统进行了仿真验证,确定了该模型的正确性及非线性的优化方法。最后,按照以上分析进行了样机制作和离心测试。试验结果表明,通过减小翘翘板摆式结构质量块的平动效应,可将±150g量程加速度计的非线性由5.4979′10-2减小至5.320′10^(-3),在此基础上通过减小质量块闭环平衡位置偏差,可进一步将加速度计的非线性减小至2.772′10^(-3)。

SiC高温高量程MEMS加速度传感器的仿真与分析

加速度传感器材料的特性对传感器的性能影响很大,Si C作为新一代半导体材料具有优良的力学温度特性,适用于高温、高过载加速度传感器。基于Si C提出了一种可用于高温、高过载环境的加速度传感器设计方案。根据悬臂梁的相关力学理论知识,对传感器结构、尺寸进行了设计,并利用ANSYS有限元仿真软件对Si C材料传感器敏感结构进行模态分析、静力学分析、热分析。仿真结果表明,6H-Si C材料表现出了比Si材料更优异的抗高温、抗过载特性,为应用于高量程、高温环境下的加速度传感器研究提供了可靠的理论基础。

MEMS低量程微加速度计的设计

在传统双边四梁微加速度计结构的基础上,设计了一种新型MEMS低量程微加速度计,量程为±10 g。用ANSYS有限元软件对加速度计的结构建立仿真模型,进行应力、模态及抗冲击能力分析。加速度计供电电压为5 V时,灵敏度理论值达到1.029 mV/g,与传统结构相比,极大地提高了低量程微加速度计的灵敏度。

温湿度环境下高量程加速度计可靠性研究

在对高量程加速度计进行温湿度综合环境应力试验的基础上,分析了温湿度环境下加速度计的输出与综合环境的关系。实验得出在相对湿度为(80～90)%F.S环境下,该微加速度计的工作极限温度为110℃,破坏极限温度为120℃;其主要失效模式为粘附。利用综合环境下加速度计的失效寿命,采用两参威布尔分布对其进行可靠性评估,并描绘了其可靠度与失效概率曲线。

高量程加速度计的力学性能分析

提出一种计算加速度计灵敏度和频率的改进方法。该方法在计算微结构的灵敏度和频率时考虑质量块的变形及梁的质量。得到的结果表明 ,当梁与质量块的厚度比变得较大时 ,梁的上表面的最大拉应力值不再等于最大压应力值。该方法计算得到的频率和忽略质量块变形与梁质量所得到的频率与ANSYS模拟相比 ,偏差由 90 %下降到 15 %。最后进行了静态测试 。

灌封对高量程微机械加速度计封装的影响

灌封是高量程微机械加速度计实用化的一个关键步骤。文中根据自制的一种压阻式高量程micro electro me chanicalsystem(MEMS)加速度计芯片及一种实用的封装结构 ,对其有限元模型进行模态分析和高g值加速度载荷下的响应分析。封装结构的模态频率随着灌封胶弹性模量的增大而增大。但弹性模量过小时 ,模态频率反而比未灌封时低 ,可能会干扰输出信号。对器件加载 10万g加速度表明 ,器件的模拟输出电压值随着灌封胶弹性模量或密度的增加而缓慢减小。模拟输出电压值与解析解很接近。

灌封胶对高量程微机械加速度计封装的影响

封装是高量程微机械加速度传感器高可靠性的重要保障,而灌封工艺是高量程微机械加速度传感器封装流程中一个非常重要的环节,对实现加速度传感器产业化具有重要的影响。根据一种自制的、量程为XX的压阻式高量程微机械加速度传感器的封装模式,利用有限元分析(FEA)方法建立加速度传感器的封装模型,基于FEA方法分析了灌封热应力及灌封工艺对加速度传感器性能的影响。分析结果表明:灌封胶的热膨胀系数和弹性模量是影响封装热应力的主要因素,而灌封胶的密度与封装热应力无关;灌封胶弹性模量及密度的变化对加速度传感器输出信号的影响很微弱,可以忽略不计。

高量程压阻式加速度计在高温环境下的失效研究

针对高量程压阻式加速度传感器在高温环境下的失效问题,分析了高温对高量程加速度计的影响,得出的失效模式为:高温导致固支梁的翘曲或变形;温度变化引起压敏电阻的变化进而导致传感器输出漂移甚至输出失效;测量电路板在高温下变得扭曲或者导电层的分离。然后,利用ANSYS对固支梁和电路板进行仿真,得出各模块在200℃的温度冲击下结构的动态响应,并通过高温步进应力试验进行验证,得出传感器的工作极限为150℃,破坏极限为160℃。

压阻式高量程微加速度计的设计

为了满足过载环境对高量程加速度计的需求,设计了一种高量程微加速度计。通过对敏感结构建立数学模型及Ansys静力学仿真,确定了该加速度计的总体设计,最后对加工完成的加速度计进行了测试。结果表明,该加速度计的灵敏度为193.3μV/g,在受到10 000 g以上的加速度作用时仍能正常工作,能够满足实际需要。

基于MEMS加速度计的倒置开关

运用MEMS加速度计MMA8453Q和单片机MSP430设计了一种针对放入式电子测压器的倒置开关。利用加速度计方向检测功能,单片机通过I2 C接口读取加速度,判断是否倒置。倒置开关经步进电机多次旋转倒置测试成功率达到100%,并利用霍普金森杆进行了抗过载测试。结果表明,在受到45 000g冲击后仍能正常工作,能满足火炮等高冲击场合的测试要求。