طريقة تحسين أداء درجة الحرارة الكاملة لمقياس التسارع MEMS

النقاط الرئيسية

مقاييس التسارع هي نوع نموذجي من أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي، مع تطبيقات واسعة ومهمة في الطيران والفضاء والملاحة والأسلحة والمجالات المدنية. ومع ذلك، فإن الحجم الكبير والتكلفة العالية لمقاييس التسارع التقليدية تحد من تطبيقاتها. مع تطور تكنولوجيا النظام الكهروميكانيكي الصغير (MEMS)، ظهرت العديد من مقاييس تسارع MEMS ذات الحجم الصغير، والاستهلاك المنخفض للطاقة، ونطاق التطبيقات الواسع.

بالإضافة إلى الهيكل المصنوع بالكامل من السيليكون، هناك تدابير أخرى لتحسين أداء درجة الحرارة الإجمالية لمقاييس تسارع MEMS. أولاً، من خلال تقليل الضغط الحراري المنقول إلى الهيكل الحساس بشكل فعال من خلال طريقة التخلص من الضغط المقترحة في القسم السابق، تم تحسين أداء درجة الحرارة الإجمالية لمقياس التسارع. ثانيًا، من خلال دراسة معلمات الترابط منخفضة الضغط، يتم تحقيق تكديس وتعبئة مقاييس تسارع MEMS منخفضة الضغط. بناءً على ذلك، يتم تحقيق المزيد من التحسين في أداء درجة الحرارة الإجمالية لمقياس التسارع من خلال تعويض درجة الحرارة من الدرجة الثالثة لانحياز مقياس التسارع وعامل القياس.

1. تصميم عملية الترابط منخفضة الضغط

من أجل تقليل حجم التعبئة والتغليف لمقاييس التسارع MEMS، لا تعتمد هذه الورقة الطريقة التقليدية لتعبئة شريحتين بشكل مسطح. بدلاً من ذلك، فهي تعتمد تصميم عبوة مكدسة مع هياكل حساسة لـ MEMS ورقائق دوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC)، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: رسم تخطيطي لحزمة التراص لمقياس تسارع MEMS

يتم لصق شريحة MEMS على اللوحة السفلية لغلاف الأنبوب الخزفي باستخدام مادة لاصقة، بينما يتم لصق شريحة ASIC أعلى شريحة MEMS. وهي مترابطة من خلال ربط الأسلاك ومتصلة بغلاف التغليف، لتشكل المنتج النهائي لمقياس التسارع بعد تطبيق الغطاء المعدني. في تصميم العبوة المكدسة، يؤدي كل من ترابط الهيكل الحساس وترابط ASIC إلى إجهاد الترابط، وهو مصدر مهم للضغط الإجمالي لمقاييس تسارع MEMS.

يؤثر إجهاد الترابط على أداء درجة الحرارة الإجمالية لانحياز مقياس التسارع وعامل القياس. من أجل تقليل إجهاد التغليف الناتج عن المادة اللاصقة الرابطة للهياكل الحساسة لـ ASIC وMEMS، تضع هذه الورقة نموذجًا للعناصر المحدودة للتغليف المكدس لمقياس تسارع MEMS، كما هو موضح في الشكل 2. من خلال تحليل العناصر المحدودة، تحلل الورقة تأثير العناصر الرئيسية معلمات العملية مثل كمية الترابط وحجم نقطة الترابط على ضغط الترابط لرقائق مقياس تسارع MEMS أو التغيير في سعة الكشف. إن فهم العلاقة بين المعلمات الهندسية لطبقة الترابط والإجهاد الحراري سيساعد في اختيار معلمات حجم نقطة الترابط المعقولة، وبالتالي تقليل الإجهاد الحراري للتغليف وتحسين أداء درجة الحرارة الإجمالية لمقياس التسارع.

الشكل 2: نموذج العناصر المحدودة لحزمة مقياس تسارع Mems المكدسة

أولاً، تبحث الدراسة في سمك المادة اللاصقة المستخدمة في ربط رقائق ASIC. يتم ربط ASIC على سطحه بالكامل، مع سمك لاصق يتراوح من 10μm إلى 150μm. يتم بعد ذلك تحليل الحد الأقصى من الضغط الذي يتعرض له الهيكل الحساس لمقياس التسارع المحاكى. وتظهر نتائج المحاكاة في الشكل 3.

يمكن ملاحظة من الشكل 3 أن الضغط يظل ثابتًا نسبيًا عندما يتجاوز سمك المادة اللاصقة 25 ميكرومتر. في عمليات الربط الفعلية، لضمان قوة ربط كافية، لا يقل سمك المادة اللاصقة لربط ASIC عن 25μm. لذلك، ضمن نطاق ربط موثوق، فإن معلمة سمك المادة اللاصقة ASIC لها نطاق اختيار كبير نسبيًا، مع تأثيرات ضئيلة على الضغط الحراري للهيكل الحساس لمقياس التسارع.

الشكل 3. منحنى تأثير سمك المادة اللاصقة ASIC على الضغط الهيكلي الحساس لمقياس التسارع

بعد ذلك، تبحث الدراسة في تأثير توزيع وحجم النقاط اللاصقة على إجهاد التغليف للبنية الحساسة لمقياس التسارع. تم إنشاء نماذج لطرق لصق النقاط المختلفة لتحديد الحد الأقصى للضغط على الهيكل الحساس لمقياس التسارع تحت شكل المادة اللاصقة المحددة وحجم نقطة اللصق من خلال تحليل المحاكاة. يتم توضيح نتائج المحاكاة في الشكل 4.

وبمقارنة الضغط الأقصى تحت أربع طرق مختلفة للالتصاق النقطي، لوحظ أن الحد الأقصى للضغط على هيكل مقياس التسارع هو الأدنى تحت طريقة اللصق رباعي النقاط، عند حوالي 33.202 ميجا باسكال، بينما في ظل طرق اللصق الثلاثة الأخرى، يكون الحد الأقصى للضغط على هيكل مقياس التسارع. يتجاوز الهيكل الحساس لمقياس التسارع 33.5 ميجا باسكال. لذلك، تم اختيار طريقة اللصق ذات الأربع نقاط كطريقة ربط للهيكل الحساس لمقياس التسارع. بالإضافة إلى ذلك، من الشكل 7، يمكن ملاحظة أن الضغط الهيكلي منخفض نسبيًا ضمن نطاق نصف قطر نقطة الالتصاق من 138 ميكرومتر إلى 206 ميكرومتر. ومن ثم، عند تعيين معلمات العملية، فإن اختيار نصف قطر المادة اللاصقة للهيكل الحساس ضمن نطاق من 138 ميكرومتر إلى 206 ميكرومتر لا يقلل فقط من صعوبة التحكم في عملية اللصق ولكن أيضًا يحافظ على الضغط الناتج عن طريق ربط الهيكل الحساس لمقياس التسارع ضمن نطاق منخفض نسبيًا.

بناءً على تحديد الترابط اللاصق المكون من 4 نقاط للهيكل الحساس لمقياس التسارع ونصف قطر نقطة الالتصاق، لتحليل تأثير سمك المادة اللاصقة على إجهاد الهيكل الحساس لمقياس التسارع، يتم أخذ إجهاد الهيكل الحساس لمقياس التسارع قبل الترابط عند درجة حرارة الغرفة كمرجع. يتم ضبط معلمة سمك المادة اللاصقة للربط اللاصق ذو 4 نقاط من 10μm إلى 150μm. عندما ترتفع درجة الحرارة من -40 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية، يتم حساب الحد الأقصى للضغط في الهيكل الحساس لمقياس التسارع. يوضح الشكل 8 منحنى تأثير سمك المادة اللاصقة على إجهاد هيكل مقياس التسارع.

من الشكل 8، يمكن ملاحظة أن إجهاد المادة اللاصقة يتناقص مع زيادة سماكة الطبقة اللاصقة، وعندما يتجاوز السمك 60 ميكرومتر، يصبح انخفاض الإجهاد الحراري للمادة اللاصقة أصغر. ولذلك، فإن ضبط سمك المادة اللاصقة للهيكل الحساس لمقياس التسارع ليكون أعلى من 60 ميكرومتر يمكن أن يحافظ على الضغط الناتج عن طريق ربط الهيكل الحساس عند مستوى منخفض نسبيًا.

2. تصميم تعويض درجة الحرارة

من أجل زيادة تعزيز أداء درجة الحرارة الإجمالية لمقياس التسارع، فإن هذه الورقة، بالإضافة إلى تصميم التخلص من الإجهاد في التصميم الهيكلي وتصميم الترابط منخفض الضغط في العبوات المكدسة، تقوم أيضًا بنماذج وتعويض انحياز مقياس التسارع وعامل القياس بشكل منفصل. من خلال نمذجة مقياس التسارع لاختبار درجة الحرارة، يتم الحصول على مخرجات مستشعر درجة الحرارة والتحيز وعامل مقياس مقياس التسارع عند نقاط درجة حرارة مختلفة. بعد ذلك، يتم إجراء تركيب متعدد الحدود بشكل منفصل للتحيز، وعامل القياس، وإخراج مستشعر درجة حرارة مقياس التسارع للحصول على معاملات تركيب التحيز ومعاملات تركيب عامل القياس.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 هو الانحياز الصفري لمقياس التسارع؛ p1، p2، p3، p4 هي معاملات التركيب من الدرجة الثالثة للانحياز الصفري؛ T هو مخرج مستشعر درجة حرارة مقياس التسارع

(K1/K1T)=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

K1 هو عامل قياس مقياس التسارع عند درجة الحرارة العادية؛ K1T هو عامل قياس مقياس التسارع عند كل نقطة درجة حرارة؛ q1 و q2 و q3 و q4 هي معاملات التركيب من الدرجة الثالثة لعامل القياس،

تتم كتابة معاملات ملاءمة التحيز ومعاملات ملاءمة عامل القياس في سجل مقياس التسارع لإكمال تعويض درجة الحرارة، مع نطاق التعويض من -40 درجة مئوية إلى +60 درجة مئوية.

3.الاستنتاج

MG101 هو مقياس تسارع MEMS عالي الدقة، ويمكن تطبيق MG101 في مجالات متعددة. إنها أداة مهمة لقياس الاهتزاز في سيناريوهات مختلفة، بما في ذلك مراقبة المعدات الميكانيكية، وتقييم السلامة الهيكلية للجسور والسدود، وإجراء اختبارات السلامة. وتمتد تطبيقاته أيضًا إلى أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي، مما يساعد في الملاحة الدقيقة وقياس الحمولة الزائدة. يُستخدم مقياس التسارع أيضًا في أنظمة الملاحة المتكاملة لتوفير حلول شاملة لتحديد المواقع.