MEMS器件热致封装效应的解析建模研究

由封装结构热失配引入的结构变形和应力将对MEMS器件性能产生显著影响,即热致封装效应.基于单元库法思想构建了封装后MEMS器件的解析模型.新建锚区、芯片、封装基板等标准单元,利用节点分析法描述了各结构单元间的热弹性耦合行为,以此作为封装效应评估的基础.利用该模型计算了热致封装效应对常规芯片粘接封装的双端固支梁器件主要性能参数的影响.     

COB封装中热－机械耦合效应的研究*

COB(Chip on Board)是微电子和MEMS中常用的封装工艺之一,但该封装结构中由于多层异质材料耦合引入的热失配将对器件的性能和可靠性产生重要影响.建立了适于求解结构表面热变形分布的理论模型,利用数字散斑相关方法对COB封装在热载荷下的表面热变形分布进行实验测量,并比较了不同封装配置对结构热变形的影响.利用实验结果和有限元模拟验证了理论模型,并讨论了该模型在封装-器件协同设计中的指导意义.     

一种电容式微加速度计的结构设计和工艺仿真

微硅电容式加速度计是目前微硅加速度传感器发展的主流,本文在硅-玻璃阳极键合工艺同深槽刻蚀工艺相结合的加工技术基础之上设计了一种电容式微加速度计,该结构将两种改变平行板电容量的方式有效的结合在一起,提高了结构的灵敏度并具有较好的线性度.最后,对所设计的结构进行了工艺仿真,通过虚拟工艺仿真结果与设计进行比较,论证了结构的基本可行性.     

体硅加工的压电式微加速度计的设计

提出并设计了一种采用体硅微制造工艺制造的压电式微加速度计,其中体硅加工的硅质量块由悬臂梁支撑且悬臂梁部分区域沉积ZnO压电薄膜.通过对压电悬臂梁建立一维解析模型,研究了影响加速度计灵敏度的结构因素.在此基础上,利用有限元方法软件ANSYS设计了实际的微加速度计,并对六种不同的微加速度计结构进行了分析,得到了不同结构微加速度计的工作频率范围及灵敏度结果.     

光读出红外成像芯片真空封装研究

为解决光读出红外成像焦平面阵列器件的真空封装,提出了一种新颖的真空封装方法。该封装结构由可见光窗口、硅垫片和红外窗口三部分构成。硅垫片和可见光窗口（玻璃）通过阳极键合形成封装腔体,用于放置芯片;红外窗口不仅选择性增透8～14μm波段的红外辐射,且作为封装盖板;封装腔体和红外窗口在真空室内通过焊料键合完成真空封装。该封装结构通过了气密检测,并测试得到了200℃电烙铁热像图。     

复合量程微加速度计中阻尼的分析与设计

为了避免微加速度计在工作过程中因为共振导致结构损坏,需要在结构中合理设计阻尼.设计了一个复合量程压阻式微加速度计,为了使结构中各个传感器具有较好的阻尼参数,通过静电键合在硅结构层下制作一玻璃层.根据Reynolds方程,可知当硅-玻璃静电键合间距d=2.25μm时,复合量程微加速度计中各个传感器可得到较好的阻尼比.     

隧道式硅微加速度计的设计和制作

针对隧道效应对位移具有极高灵敏度的特点,设计了一种隧道式硅微加速度计。在介绍其结构和工作原理的基础上,提出了一种新的加工工艺,由该工艺制作的第一批器件成功地观测到隧道效应。     

电容式微加速度计的刻度温漂的半解析模型

针对电容式微加速度计的刻度温漂,根据微加速度计的检测原理及热变形的分析结果,建立了刻度温漂的半解析模型,并在此基础上分析了刻度温漂的主要影响因素.分析结果表明,刻度温漂由两部分组成,第一部分主要由单晶硅的弹性模量的温度系数决定,可以通过高掺杂降低;第二部分由微加速度计的热变形引起,它的大小与封装胶的弹性模量、梳齿的宽度、大电容间隙与小电容间隙的比值以及固定梳齿锚点的位置相关;第一部分和第二部分分别是正数和负数,因此相互补偿.基于MEMS体硅微加工工艺,制造了微加速度计的实验样品,刻度温漂的测量结果验证了理论分析结果的正确性.     

（中国微米纳米技术学会文章）一种硅微机械结构振动幅度的电学测量方法及实验研究

本文针对硅微机械结构振动幅度由于封装难以计算机视觉测量及电学测量中的精度受接口电路参数影响的问题,在对静电梳齿驱动、平板电容检测的硅微谐振结构进行建模分析后,提出基于单边带电压比的电学测量振动幅度的方法并分析了测量方法的原理。实验表明研制的某硅微机械谐振加速度计在受迫振动下的振动幅度为0.25um,频谱分析还表明存在上电噪声引起的振动幅度,该测试方法还能应用于硅微谐振结构的谐振频率测量,同时为高品质因数的硅微机械谐振结构的可静电自激驱动提供了依据。     

业界信息

行业动态汽车电子稳定程序(ESP)微传感器及系统取得阶段性成果先进制造领域863课题"汽车电子稳定程序(ESP)微传感器及系统"针对汽车电子应用需求,对MEMS陀螺仪和加速度传感器的结构进行了优化设计,开发出了基于体硅SOI和圆片级封装工艺的低成本MEMS微陀螺和微加速度计芯片,攻克了数字化陀螺仪电路设计和加速度计ASIC电路设计技术和预成型空腔塑封封装技术,研制出了自主知识产权的ESP用MEMS     

MEMS高g加速度传感器封装热应力的研究

封装热应力是导致MEMS器件失效的主要原因之一,本文设计了一种MEMS高g加速度传感器,并仿真研究了传感器在封装过程中的热应力及影响其大小的因素。根据封装工艺,建立设计的高g加速度传感器封装的有限元模型,利用AN-SYS软件仿真传感器在不同的贴片工艺中受到的热应力及影响热应力的因素。结果显示,在封装中,与直接贴片到管壳底部相比,MEMS高g加速度传感器芯片底面键合高硼硅玻璃后再贴片到管壳底部时,封装热应力可从135MPa降低到33MPa;在贴片工艺中,基板的热膨胀系数和贴片胶的弹性模量、热膨胀系数及厚度是影响封装热应力的主要因素;在健合工艺中,基板和键合温度主要影响到热应力的大小。     

高灵敏度谐振式微加速度传感器的设计与制作

为提高加速度传感器灵敏度,提出一种新的加速度敏感机制,并基于此原理设计了一种新的微机械谐振式加速度传感器结构.分析了加速度传感器的数学模型及影响灵敏度的关键参数,并以此为依据对传感器结构参数进行优化设计.采用扩散硅层作为谐振子,提高器件性能的同时简化了制作工艺,利用KOH溶液湿法腐蚀硅在各晶向上的各向异性,实现了支撑梁...     

基于驱动频率的硅微陀螺零偏补偿方法研究

针对硅微陀螺的零偏受环境温度影响比较敏感的问题,研究了一种新的温度补偿方案。通过研究驱动频率的温度特性,发现驱动频率与温度之间存在很好的线性关系,经过适当的标定,驱动频率可以作为内置温度传感器取代传统的温度传感器,解决了传统传感器温度不准确和测量滞后的问题。建立了驱动频率与零偏的模型,对硅微陀螺的零偏进行了温度补偿验证。验证试验表明,在-40℃～60℃全温区范围内,零偏温度灵敏度由0.053°/(s.℃)提高到0.00244°/(s.℃),有效地改善了全温区的零偏温度系数。     

微机械陀螺封装应力研究

针对设计的微机械陀螺开展了封装应力影响的研究.在对陀螺封装影响进行理论计算分析的基础上,进行了有限元仿真分析,并分析了温度变化引起的不同结构梁的谐振频率的变化,结果表明:在封装应力的影响下,陀螺的谐振频率与温度存在线性关系,不同梁结构的线性增减是不同的,基底材料和粘胶的热膨胀系数与杨氏模量是影响谐振频率变化的因素.     

硅微陀螺模态频率温度特性的研究

硅微机械陀螺的零位输出受温度影响较大,为提高精度,对其进行温度误差补偿很有必要,而陀螺表头真空封装后内部温度难以直接测量.通过研究模态频率与温度之间的关系,发现驱动轴谐振频率与温度之间存在很好的线性相关性,同时具有很好的温度重复性.由于谐振频率的精度很高,所以用谐振频率测量温度会有很好的分辨率.因此,可以利用驱动模态的谐振频率来标定陀螺表头内部的温度,为下一步的温度补偿提供新的方法.     

Effects of localized warpage and stress on chip‐on‐glass packaging: Induced light‐leakage phenomenon in mid‐sized TFT‐LCD

Abstract— Mura defects become visible in a 13.3‐in. TFT‐LCD using chip‐on‐glass (COG) packaging when the thickness of the glass substrate is decreased from 0.5 to 0.3 mm. Mura, the non‐uniform brightness in LCDs, is caused by COG packaging due to the mismatch of the coefficient of thermal expansion (CTE) and Young's modulus between the glass substrate and the IC‐driver Si chips. In this paper, a 3‐D finite‐element‐analysis (FEA) model, coupled with transient thermal analysis is first established to examine the warpage and stress behavior in the upper‐glass‐plate post‐COG‐package processing for identifying the root causes of the light‐leakage phenomenon. Prior to that, the simulated warpage results are validated by surface‐contour measurement. Data and modeling results show that a low bonding temperature together with a low modulus in novel ACF materials can effectively eliminate Mura. Besides, thinner silicon or a shorter length of Si chips as drivers offers enhanced reduction in the localized warpage, and thus can be a practical and low‐cost solution for eliminating mura defects.     

Thermal drift analysis using a multiphysics model of bulk silicon MEMS capacitive accelerometer

An interpretation of the thermal drift of the bulk silicon MEMS capacitive accelerometer using multiphysics analysis is proposed in this paper. Stress, strain, electrostatics, thermal and structural interactions are simulated based on the finite element method. The thermal drift is generated by both the stiffness asymmetry of the U-springs of the structure and relative displacement caused by the mismatch in thermal expansion coefficients between the Pyrex glass substrate and heavily boron-doped silicon structure, neither of which is dispensable. Although the layout design is symmetrical, the asymmetric widths of the U-springs, which cause stiffness asymmetry, are observed by scanning electron microscopy. To achieve a fast and feasible simulation, we divide the model into two components with different configurations. During the simulation, boundary conditions are carefully set up according to the fabrication process. A series of experiments is designed to verify the result, including a temperature experiment from −40 to 100 °C and DC voltage polarity experiment. To verify the conclusion, a new layout design that gradually increases the width of the U-springs without changing any other dimension is simulated, fabricated, and tested. The simulation and experiment results are compared and discussed.     

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。     

Studies and optimization of the frequency response of a micromachined thermal accelerometer

In the present work, the design of a micromachined thermal accelerometer based on convection effect was studied. The accelerometer sensitivity and especially the frequency response have been experimentally and numerically studied with low cavity volume. Although this type of sensor has already been intensively examined, few information concerning the frequency response modeling is currently available. In particular, no experimental result about frequency response for low volume and their variation according to the external temperature variation was reported in the literature. In certain particular condition, we assumed that a bandwidth of 120 Hz at −3 dB has been measured.By using numerical resolution of fluid dynamics equations with the computational fluid dynamics (CFD) software package Fluent V6.2 and a simple model based on thermo-conduction, a good accordance with the experimental results has been demonstrated. So, the effects of these two parameters like the volume and the external temperature variation on the thermal accelerometer response have been theoretically, experimentally and numerically investigated.     

微加速度计启动漂移特性研究与实验

目前研制的基于体硅工艺的微加速度计存在着启动时间较长,启动漂移量较大的问题,难以满足某些需要快速启动的应用.为了减少微加速度计的启动时间,对微加速度计的启动漂移特性进行了研究.分析了启动过程中微加速度计表芯自身发热,驱动和检测电路的发热的热传导和电路参数漂移的影响,并建立了包括电路的微加速度计有限元模型进行热仿真分析,...