طريقة تحسين الأداء عند درجات الحرارة الكاملة لمقياس التسارع MEMS

النقاط الرئيسية

تُعدّ مقاييس التسارع نوعًا شائعًا من أجهزة الاستشعار بالقصور الذاتي، ولها تطبيقات واسعة وهامة في مجالات الطيران والفضاء والملاحة والأسلحة والقطاعات المدنية. إلا أن كبر حجم مقاييس التسارع التقليدية وارتفاع تكلفتها يحدّان من استخداماتها. ومع تطور تقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، ظهرت أنواع مختلفة من مقاييس التسارع بتقنية MEMS تتميز بصغر حجمها وانخفاض استهلاكها للطاقة وتعدد استخداماتها.

إضافةً إلى بنية السيليكون بالكامل، توجد تدابير أخرى لتحسين الأداء الحراري العام لمقاييس التسارع الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). أولًا، من خلال تقليل الإجهاد الحراري المنتقل إلى البنية الحساسة بفعالية باستخدام طريقة إزالة الإجهاد المقترحة في القسم السابق، يتحسن الأداء الحراري العام لمقياس التسارع. ثانيًا، من خلال دراسة معايير الربط منخفضة الإجهاد، يتم تحقيق تكديس وتغليف منخفض الإجهاد لمقاييس التسارع الكهروميكانيكية الدقيقة. بناءً على ذلك، يتم تحقيق تحسين إضافي للأداء الحراري العام لمقياس التسارع من خلال تعويض درجة الحرارة من الدرجة الثالثة لانحياز مقياس التسارع ومعامل المقياس.

1. تصميم عملية الربط منخفضة الإجهاد

بهدف تقليل حجم تغليف مقاييس التسارع بتقنية MEMS، لا تعتمد هذه الورقة البحثية الطريقة التقليدية لتغليف شريحتين بشكل مسطح. بدلاً من ذلك، تعتمد تصميم تغليف مكدس يضم هياكل حساسة بتقنية MEMS وشرائح دوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC)، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: رسم تخطيطي لحزمة تكديس مقياس التسارع بتقنية MEMS

تُلصق شريحة MEMS على اللوحة السفلية لغلاف أنبوب خزفي باستخدام مادة لاصقة، بينما تُلصق شريحة ASIC فوق شريحة MEMS. يتم توصيلهما معًا عبر أسلاك، ثم يُربطان بغلاف التغليف، ليشكلا بذلك منتج مقياس التسارع النهائي بعد تركيب الغطاء المعدني. في تصميم التغليف المُكدس، يُؤدي كل من ربط البنية الحساسة وربط شريحة ASIC إلى إجهاد ربط، وهو مصدر مهم للإجهاد الكلي لمقاييس التسارع MEMS.

يؤثر إجهاد الربط على الأداء الحراري العام لانحياز مقياس التسارع ومعامل قياسه. ولتقليل إجهاد التغليف الناتج عن مادة الربط اللاصقة في هياكل ASIC وMEMS الحساسة، تُنشئ هذه الورقة نموذجًا للعناصر المحدودة لتغليف مقياس التسارع MEMS المكدس، كما هو موضح في الشكل 2. ومن خلال تحليل العناصر المحدودة، تُحلل الورقة تأثير معايير العملية الرئيسية، مثل كمية الربط وحجم نقطة الربط، على إجهاد الربط في رقائق مقياس التسارع MEMS أو التغير في سعة الكشف. إن فهم العلاقة بين المعايير الهندسية لطبقة الربط والإجهاد الحراري سيساعد في اختيار معايير حجم نقطة الربط المناسبة، وبالتالي تقليل الإجهاد الحراري للتغليف وتحسين الأداء الحراري العام لمقياس التسارع.

الشكل 2: نموذج العناصر المحدودة لحزمة مقياس التسارع MEMS المكدسة

أولًا، تبحث الدراسة سُمك المادة اللاصقة المستخدمة في ربط رقائق الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC). يتم ربط رقاقة ASIC على كامل سطحها، بسُمك مادة لاصقة يتراوح بين 10 و150 ميكرومتر. ثم يتم تحليل أقصى إجهاد يتعرض له الهيكل الحساس لمقياس التسارع المُحاكى. وتُظهر نتائج المحاكاة في الشكل 3.

يُلاحظ من الشكل 3 أن الإجهاد يبقى ثابتًا نسبيًا بمجرد أن يتجاوز سُمك المادة اللاصقة 25 ميكرومترًا. في عمليات الربط الفعلية، ولضمان قوة ربط كافية، لا يقل سُمك المادة اللاصقة المستخدمة في ربط الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) عن 25 ميكرومترًا. لذلك، ضمن نطاق ربط موثوق، يتمتع معيار سُمك المادة اللاصقة للدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات (ASIC) بنطاق اختيار واسع نسبيًا، مع تأثيرات طفيفة على الإجهاد الحراري للهيكل الحساس لمقياس التسارع.

الشكل 3: منحنى تأثير سمك المادة اللاصقة للدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات على الإجهاد الهيكلي الحساس للتسارع

بعد ذلك، تبحث الدراسة تأثير توزيع وحجم نقاط اللصق على إجهاد التغليف للهيكل الحساس لمقياس التسارع. وقد تم إنشاء نماذج لطرق لصق نقطية مختلفة لتحديد أقصى إجهاد على الهيكل الحساس لمقياس التسارع في ظل شكل وحجم نقطة اللصق المحددين، وذلك من خلال تحليل المحاكاة. وتُوضح نتائج المحاكاة في الشكل 4.

بمقارنة أقصى إجهاد تحت أربع طرق لاصقة نقطية مختلفة، لوحظ أن أقصى إجهاد على هيكل مقياس التسارع هو الأدنى عند استخدام طريقة اللصق الرباعي، حيث يبلغ حوالي 33.202 ميجا باسكال، بينما يتجاوز أقصى إجهاد على الهيكل الحساس لمقياس التسارع 33.5 ميجا باسكال عند استخدام الطرق اللاصقة الثلاث الأخرى. لذلك، تم اختيار طريقة اللصق الرباعي كطريقة ربط للهيكل الحساس لمقياس التسارع. بالإضافة إلى ذلك، يتضح من الشكل 7 أن الإجهاد الهيكلي منخفض نسبيًا ضمن نطاق أنصاف أقطار نقاط اللصق من 138 ميكرومتر إلى 206 ميكرومتر. وبالتالي، عند ضبط معايير العملية، فإن اختيار نصف قطر اللصق للهيكل الحساس ضمن هذا النطاق لا يقلل فقط من صعوبة التحكم في عملية اللصق، بل يحافظ أيضًا على الإجهاد الناتج عن ربط الهيكل الحساس لمقياس التسارع ضمن نطاق منخفض نسبيًا.

استنادًا إلى تحديد نقاط اللصق الرباعية لهيكل مستشعر التسارع ونصف قطر نقطة اللصق، ولتحليل تأثير سُمك المادة اللاصقة على إجهاد هيكل مستشعر التسارع، تم اعتبار إجهاد الهيكل قبل اللصق عند درجة حرارة الغرفة مرجعًا. تم ضبط سُمك المادة اللاصقة لنقاط اللصق الرباعية بين 10 و150 ميكرومترًا. عند ارتفاع درجة الحرارة من -40 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية، تم حساب أقصى إجهاد في هيكل مستشعر التسارع. يوضح الشكل 8 منحنى تأثير سُمك المادة اللاصقة على إجهاد هيكل مستشعر التسارع.

يتضح من الشكل 8 أن الإجهاد الناتج عن الالتصاق يقل مع زيادة سمك طبقة المادة اللاصقة، وعندما يتجاوز السمك 60 ميكرومترًا، يصبح انخفاض الإجهاد الحراري الناتج عن الالتصاق أقل. لذا، فإن ضبط سمك المادة اللاصقة للهيكل الحساس لمقياس التسارع بحيث يزيد عن 60 ميكرومترًا يُبقي الإجهاد الناتج عن ربط هذا الهيكل عند مستوى منخفض نسبيًا.

2. تصميم تعويض درجة الحرارة

لتحسين أداء مقياس التسارع في درجات الحرارة المختلفة، تتناول هذه الورقة البحثية، بالإضافة إلى تصميم تخفيف الإجهاد في التصميم الهيكلي وتصميم الربط منخفض الإجهاد في التغليف المكدس، نمذجة وتعويض انحياز مقياس التسارع ومعامل القياس بشكل منفصل. ومن خلال نمذجة مقياس التسارع لاختبار درجات الحرارة، يتم الحصول على خرج مستشعر درجة الحرارة، والانحياز، ومعامل القياس لمقياس التسارع عند نقاط حرارية مختلفة. بعد ذلك، يتم إجراء مطابقة متعددة الحدود بشكل منفصل للانحياز، ومعامل القياس، وخرج مستشعر درجة حرارة مقياس التسارع للحصول على معاملات مطابقة الانحياز ومعاملات مطابقة معامل القياس.

K0=p1·T3+p2·T2+p3T+p4

K0 هو الانحياز الصفري لمقياس التسارع؛ وp1 وp2 وp3 وp4 هي معاملات التوفيق من الدرجة الثالثة للانحياز الصفري؛ وT هو خرج مستشعر درجة حرارة مقياس التسارع

(K1/K1T)=q1·T3+q2·T2+q3·T+q4

K1 هو عامل قياس التسارع عند درجة الحرارة العادية؛ K1T هو عامل قياس التسارع عند كل نقطة درجة حرارة؛ q1 وq2 وq3 وq4 هي معاملات التوفيق من الدرجة الثالثة لعامل القياس.

يتم كتابة معاملات ملاءمة الانحياز ومعاملات ملاءمة عامل المقياس في سجل مقياس التسارع لإكمال تعويض درجة الحرارة، مع نطاق تعويض من -40 درجة مئوية إلى +60 درجة مئوية.

3. الخاتمة

يُعدّ MG101 مقياس تسارع عالي الدقة بتقنية MEMS، ويمكن استخدامه في مجالات متعددة. فهو أداة مهمة لقياس الاهتزازات في سيناريوهات متنوعة، تشمل مراقبة المعدات الميكانيكية، وتقييم السلامة الإنشائية للجسور والسدود، وإجراء اختبارات السلامة. كما تمتد تطبيقاته لتشمل أنظمة التوجيه بالقصور الذاتي، مما يُسهم في الملاحة الدقيقة وقياس الأحمال الزائدة. ويُستخدم مقياس التسارع أيضًا في أنظمة الملاحة المتكاملة لتوفير حلول شاملة لتحديد المواقع.