【摘 要】
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封装是MEMS传感器制造过程中的重要环节,能够为MEMS芯片提供机械保护、电连接、散热等功能。但同时封装结构失配也会造成封装效应,导致敏感结构的变形,影响传感器的性能。本文以硅微谐振式加速度计封装结构为切入点,研究粘接胶对硅微谐振式加速度计的影响,并进行隔离结构设计,主要工作内容如下:（1）针对芯片粘接胶的粘弹性,选择了常用于MEMS芯片粘接的硅胶、环氧树脂胶和改良环氧树脂胶制作了胶体试样,利用动
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封装是MEMS传感器制造过程中的重要环节,能够为MEMS芯片提供机械保护、电连接、散热等功能。但同时封装结构失配也会造成封装效应,导致敏感结构的变形,影响传感器的性能。本文以硅微谐振式加速度计封装结构为切入点,研究粘接胶对硅微谐振式加速度计的影响,并进行隔离结构设计,主要工作内容如下:（1）针对芯片粘接胶的粘弹性,选择了常用于MEMS芯片粘接的硅胶、环氧树脂胶和改良环氧树脂胶制作了胶体试样,利用动态热机械分析仪得到了不同温度点的松弛模量,采用时温等效原理得到了20℃时的应力松弛主曲线,通过Prony级数拟合得到了广义麦克斯韦模型参数,结合硅微谐振式加速度计样机封装结构,建立了含有粘弹性层的玻璃-胶-基板贴片结构层合模型,分别计算了三种胶所对应的层合模型固化后的应力与翘曲变形,研究了粘接胶的松弛模量与CTE对贴片结构热应力与翘曲变形的影响。结果表明,粘接胶松弛模量是影响贴片结构应力与变形的主要因素。（2）建立了硅微谐振式加速度计封装应力仿真模型,仿真了加速度计经过粘接胶固化后存储一年以及温度循环这两种不同载荷作用下结构中应力与应变的变化,比较了粘弹性模型与弹性模型分析结果的差异,并通过温度循环实验验证了粘弹性模型的合理性。继而在粘弹性模型的基础上研究了粘接层在温度循环以及长期恒温存储环境下对表头输出的影响,总结不同粘接胶在不同环境条件下的规律,进而为选择低应力、弱化封装效应以及高粘接性能、高可靠性的胶接材料提供参考。（3）为降低封装应力对表头敏感结构的影响,提出了三种硅微谐振式加速度计整体隔离结构:单梁-框架式、双梁-框架式和“日”字型隔离结构。通过对封装结构进行热应力与冲击响应分析,得到了隔离结构对热应力的隔离效果与抗冲击能力:单梁-框架式隔离结构对热应力的隔离效果最为显著,-40℃时谐振器端部应力由无隔离结构的0.72MPa降至0.18MPa,但是在冲击过程中会导致加速度计敏感轴的偏转,影响加速度计的稳定;双梁-框架式结构在冲击过程中能够保持加速度计敏感轴方向恒定,但是双梁中热应力较大,谐振器端部的应力降低至0.22MPa,对热应力的隔离效果也不如单梁;“日”字型隔离结构,兼具良好的封装应力隔离效果、抗冲击能力以及对称性,可将谐振器端部应力降至0.20MPa,能够有效降低谐振器中的热应力。通过对具有该结构的封装模型进行有预应力的模态分析,结果表明频率全温变化从34.90ppm/℃降低到9.24ppm/℃,有效抑制了封装效应对加速度计频率输出的影响。
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