MEMS加速度计的全温性能优化方法

要点

加速度计是一种典型的惯性传感器，在航空、航天、导航、武器和民用领域有着广泛而重要的应用。然而，传统加速度计体积大、成本高，限制了其应用。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，各种尺寸小、功耗低、应用范围广的MEMS加速度计应运而生。

除了全硅结构外，还有其他措施可以提高MEMS加速度计的整体温度性能。首先，通过前文提出的应力消除方法，有效降低传递到敏感结构的应力，从而提高加速度计的整体温度性能。其次，通过研究低应力键合参数，实现了MEMS加速度计的低应力堆叠和封装。在此基础上，通过对加速度计偏置和比例因子进行三阶温度补偿，进一步提高了加速度计的整体温度性能。

1.低应力粘接工艺设计

为了减小MEMS加速度计的封装体积，本文没有采用传统的两片芯片平铺封装方式，而是采用了如图1所示的堆叠式封装设计，将MEMS敏感结构和专用集成电路（ASIC）芯片封装在一起。

图1 MEMS加速度计堆叠封装示意图

MEMS芯片通过粘合剂粘贴在陶瓷管壳的底板上，ASIC芯片则粘贴在MEMS芯片上方。它们通过引线键合互连，并连接到封装外壳，最后盖上金属帽，形成最终的加速度计产品。在这种堆叠式封装设计中，敏感结构的键合和ASIC的键合都会引入键合应力，这是MEMS加速度计整体应力的重要来源。

键合应力会影响加速度计偏置和比例因子的整体温度性能。为了最大限度地降低ASIC和MEMS敏感结构键合胶引起的封装应力，本文建立了MEMS加速度计堆叠封装的有限元模型，如图2所示。通过有限元分析，本文分析了键合量和键合点尺寸等关键工艺参数对MEMS加速度计芯片键合应力或检测电容变化的影响。了解键合层几何参数与热应力之间的关系有助于选择合理的键合点尺寸参数，从而降低封装热应力，提高加速度计的整体温度性能。

图 2 MEMS 加速度计堆叠封装的有限元模型

首先，本研究探讨了用于粘合ASIC芯片的粘合剂厚度。ASIC芯片表面全部被粘合剂粘合，粘合剂厚度范围为10μm至150μm。然后分析了模拟加速度计敏感结构所承受的最大应力。仿真结果如图3所示。

从图3可以看出，当粘合剂厚度超过25μm时，应力基本保持不变。在实际键合过程中，为确保足够的键合强度，ASIC键合的粘合剂厚度不小于25μm。因此，在可靠的键合范围内，ASIC粘合剂厚度的选择范围相对较大，对加速度计敏感结构的应力影响甚微。

图3 ASIC粘合剂厚度对加速度计敏感结构应力的影响曲线

接下来，本研究探讨了粘合点的分布和尺寸对加速度计敏感结构封装应力的影响。通过仿真分析，建立了不同点粘合​​方式的模型，以确定给定粘合方式和粘合点尺寸下加速度计敏感结构的最大应力。仿真结果如图4所示。

对比四种不同点粘接方法下的最大应力，发现四点粘接方法下加速度计结构的最大应力最低，约为33.202 MPa；而其他三种粘接方法下，加速度计敏感结构的最大应力均超过33.5 MPa。因此，选择四点粘接方法作为加速度计敏感结构的粘接方法。此外，从图7可以看出，在粘接点半径为138 μm至206 μm的范围内，结构应力相对较低。因此，在设定工艺参数时，选择138 μm至206 μm范围内的粘接点半径，不仅可以降低粘接工艺控制的难度，还能将粘接加速度计敏感结构所引入的应力控制在较低范围内。

基于确定加速度计敏感结构的四点粘接方式和粘接点半径，分析胶层厚度对加速度计敏感结构应力的影响。以室温下粘接前加速度计敏感结构的应力为参考，四点粘接的胶层厚度参数设定为10μm至150μm。当温度从-40℃升至60℃时，计算加速度计敏感结构中的最大应力。图8显示了胶层厚度对加速度计结构应力的影响曲线。

从图8可以看出，粘合应力随着粘合层厚度的增加而减小，当厚度超过60μm时，粘合热应力的降低幅度减小。因此，将加速度计敏感结构的粘合层厚度设置为60μm以上，可以使粘合敏感结构所引入的应力保持在较低水平。

2.温度补偿设计

为了进一步提升加速度计的整体温度性能，本文除了在结构设计中进行应力消除设计和在堆叠封装中进行低应力键合设计外，还分别对加速度计的偏差和比例因子进行建模和补偿。通过对加速度计进行温度测试建模，获得了加速度计在不同温度点下的温度传感器输出、偏差和比例因子。然后，分别对偏差、比例因子和加速度计温度传感器输出进行多项式拟合，以获得偏差拟合系数和比例因子拟合系数。

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 为加速度计零点偏差；p1、p2、p3、p4 为零点偏差的三阶拟合系数；T 为加速度计温度传感器输出。

（K1/K1T）=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

K1 是常温下加速度计的比例因子；K1T 是各温度点下加速度计的比例因子；q1、q2、q3 和 q4 是比例因子的三阶拟合系数。

将偏差拟合系数和比例因子拟合系数写入加速度计寄存器，以完成温度补偿，补偿范围为 -40°C 至 +60°C。

3.结论

MG101是一款高精度MEMS加速度计，可应用于多个领域。它是各种场景下振动测量的重要工具，包括机械设备监测、桥梁和大坝结构完整性评估以及安全测试。其应用还扩展到惯性导航系统，辅助实现精确导航和过载测量。该加速度计也用于集成导航系统，提供全面的定位解决方案。