本文關(guān)鍵詞：電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性研究

  更多相關(guān)文章： 電容式微加速度計 熱穩(wěn)定性 芯片粘接 制造誤差 被動補償

【摘要】：電容式微加速度計是一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的加速度傳感器,在物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性是指電容式微加速度計的性能隨溫度變化而保持恒定的能力。零位溫漂和刻度因子溫漂是熱穩(wěn)定性的兩個主要特征參數(shù),它們分別表征了零位與刻度因子的溫度敏感特性。熱穩(wěn)定性嚴(yán)重影響電容式微加速度計的測量精度,是決定其能否應(yīng)用于慣性導(dǎo)航等高端精密系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。因此,建立電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性的理論模型,尤其是解析模型,并系統(tǒng)、深入的分析其中的關(guān)鍵影響因素,對于熱穩(wěn)定性的設(shè)計與提高具有非常重要的理論和工程意義。電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的解析建模主要涉及兩方面的基礎(chǔ)工作：①建立MEMS芯片粘接結(jié)構(gòu)的熱變形的解析模型,而芯片粘接也是許多MEMS器件采用的封裝工藝,因此,芯片粘接結(jié)構(gòu)的熱變形的解析模型對于MEMS器件的熱穩(wěn)定性研究具有普遍意義；②建立電容式微加速度計的零位與刻度因子的解析計算方法。本文首先研究了芯片粘接結(jié)構(gòu)的熱變形的解析模型,然后研究了零位與刻度因子的解析計算方法,從而建立了電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的解析模型。在此基礎(chǔ)上,分析了影響電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,提出了可以顯著提高熱穩(wěn)定性的改進(jìn)結(jié)構(gòu),通過實驗驗證了改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有效性。本文具體的研究內(nèi)容、方法和主要成果如下：為了建立芯片粘接結(jié)構(gòu)的熱變形的解析模型,本文基于變分原理推導(dǎo)出了熱變形的高階微分方程組,并求出了方程組的解析解。模型具有兩個優(yōu)點：①通過將結(jié)構(gòu)的剪切變形處理為二階剪切變形,實現(xiàn)了熱變形的精確計算：②對于模型的高階微分方程組,通過齊次化橫向位移,提出了基于傅里葉級數(shù)的解析求解方法,因而提高了計算效率。利用解析模型分析了粘接界面熱應(yīng)力以及芯片襯底的熱變形,分析結(jié)果表明：界面熱應(yīng)力主要受粘接膠彈性模量的影響,襯底熱變形則同時受到粘接膠彈性模量和襯底厚度的影響。根據(jù)電容式微加速度計的檢測原理,本文推導(dǎo)出了分別基于平板電容模型和保角映射電容模型的零位與刻度因子的解析計算方法。平板電容模型能夠得到零位與刻度因子的解析公式,便于進(jìn)行數(shù)值計算和定性分析；而保角映射電容模型則具有更高的計算精度,可以進(jìn)行定量分析�；谛酒辰咏Y(jié)構(gòu)的熱變形的解析模型、零位與刻度因子的計算方法,本文建立了電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的兩種解析模型,分別稱為平板熱穩(wěn)定性模型和保角映射熱穩(wěn)定性模型。平板熱穩(wěn)定性模型具有零位溫漂和刻度因子溫漂的解析公式,能夠清晰的揭示影響熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,而保角映射熱穩(wěn)定性模型雖不具有解析公式,但是計算精度更高。本文建立的熱穩(wěn)定性模型計算效率高,解決了熱穩(wěn)定性的熱-機-電耦合特性導(dǎo)致的分析復(fù)雜、效率低的問題。利用熱穩(wěn)定性模型,深入分析了熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素。分析結(jié)果表明：零位溫漂主要是由熱變形導(dǎo)致的,零位溫漂的大小與制造誤差、質(zhì)量塊錨點的位置、粘接膠彈性模量及襯底厚度相關(guān)；刻度因子溫漂包含兩部分,第一部分主要由硅彈性模量的溫度系數(shù)決定,而第二部分是由熱變形導(dǎo)致的；刻度因子溫漂的兩部分的正負(fù)性相反,并且第一部分的絕對值小于第二部分；刻度因子溫漂的第二部分的大小與固定梳齒錨點的位置、大電容間隙與小電容間隙的比值、梳齒寬度、粘接膠彈性模量及襯底厚度相關(guān)。根據(jù)電容式微加速度計熱穩(wěn)定性的理論分析結(jié)果,本文提出了可以顯著提高熱穩(wěn)定性的改進(jìn)結(jié)構(gòu)。改進(jìn)結(jié)構(gòu)通過將質(zhì)量塊錨點安放于結(jié)構(gòu)中心區(qū)域,以減小零位溫漂；通過減小固定梳齒錨點在敏感方向的長度,以減小刻度因子溫漂的第二部分；通過相互抵消刻度因子溫漂的第一部分和第二部分,以實現(xiàn)刻度因子溫漂的被動補償。本文制造了電容式微加速度計的實驗樣品,并進(jìn)行了測量分析。測量結(jié)果證實了熱穩(wěn)定性的理論分析結(jié)果的正確性以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的可行性與有效性。零位溫漂的絕對值的平均值由1.85mg/℃降低至0.52mg/℃,刻度因子溫漂的絕對值的平均值由162.7ppm/℃降低至50.8ppm/℃。
【關(guān)鍵詞】：電容式微加速度計 熱穩(wěn)定性 芯片粘接 制造誤差 被動補償
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH824.4
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 MEMS器件的熱穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀14-21
• 1.1.1 MEMS器件的熱穩(wěn)定性14
• 1.1.2 彈性模量的溫度系數(shù)對MEMS器件熱穩(wěn)定性的影響14-16
• 1.1.3 封裝對MEMS器件熱穩(wěn)定性的影響16-21
• 1.1.3.1 MEMS封裝16-17
• 1.1.3.2 封裝效應(yīng)對熱穩(wěn)定性的影響17-19
• 1.1.3.3 芯片粘接結(jié)構(gòu)的熱變形的分析方法19-21
• 1.2 電容式微加速度計及其檢測原理21-22
• 1.3 電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性及其研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 電容式微加速度計的零位溫漂和刻度因子溫漂22-24
• 1.3.2 電容式微加速度計的熱穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀24-25
• 1.4 課題研究背景、目標(biāo)及研究意義25-26
• 1.5 本文研究的技術(shù)路線和內(nèi)容組織26-28
• 第2章 MEMS芯片粘接結(jié)構(gòu)的熱變形28-58
• 2.1 MEMS芯片粘接結(jié)構(gòu)熱變形的解析模型28-47
• 2.1.1 MEMS芯片粘接結(jié)構(gòu)28-29
• 2.1.2 芯片粘接結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變29-32
• 2.1.3 襯底和封裝基底的本構(gòu)方程32-33
• 2.1.4 芯片粘接結(jié)構(gòu)的控制方程33-38
• 2.1.4.1 粘接膠層的控制方程33-34
• 2.1.4.2 襯底的控制方程34-37
• 2.1.4.3 封裝基底的控制方程37-38
• 2.1.5 控制方程的解析解38-44
• 2.1.6 解析解的有限元驗證44-47
• 2.2 粘接膠參數(shù)及襯底參數(shù)對粘接界面熱應(yīng)力的影響47-51
• 2.2.1 粘接膠彈性模量對界面熱應(yīng)力的影響47-48
• 2.2.2 襯底厚度對界面熱應(yīng)力的影響48-49
• 2.2.3 襯底長度對界面熱應(yīng)力的影響49-51
• 2.3 粘接膠參數(shù)及襯底參數(shù)對襯底熱變形的影響51-55
• 2.3.1 粘接膠彈性模量對襯底熱變形的影響51-53
• 2.3.2 襯底厚度對襯底熱變形的影響53-54
• 2.3.3 襯底長度對襯底熱變形的影響54-55
• 2.4 等效熱膨脹系數(shù)55-56
• 2.5 本章小結(jié)56-58
• 第3章 微加速度計的檢測原理及關(guān)鍵參數(shù)58-73
• 3.1 微加速度計的檢測原理58-61
• 3.2 基于平板電容模型的零位和刻度因子計算方法61-63
• 3.2.1 微加速度計的平板電容模型61-62
• 3.2.2 零位和刻度因子的計算62-63
• 3.3 基于保角映射電容模型的零位和刻度因子計算63-70
• 3.3.1 微加速度計的保角映射電容模型64-68
• 3.3.2 零位和刻度因子計算68-70
• 3.4 微加速度計的非線性誤差及其分析70-71
• 3.5 本章小結(jié)71-73
• 第4章 微加速度計的熱穩(wěn)定性建模及分析73-106
• 4.1 微加速度計的熱變形分析73-84
• 4.1.1 制造誤差對彈簧剛度的影響74-76
• 4.1.2 溫度變化引起的質(zhì)量塊位移76-77
• 4.1.3 溫度變化引起的電容間隙變化77-78
• 4.1.4 溫度變化引起的非對稱誤差變化和有效電容間隙變化78-79
• 4.1.5 熱變形的有限元驗證79-84
• 4.2 微加速度計的彈簧剛度的溫度系數(shù)84-86
• 4.3 微加速度計的熱穩(wěn)定性解析模型86-91
• 4.3.1 基于平板電容模型的熱穩(wěn)定性解析模型86-89
• 4.3.1.1 零位溫漂87
• 4.3.1.2 刻度因子溫漂87-89
• 4.3.2 基于保角映射電容模型的熱穩(wěn)定性解析模型89-91
• 4.3.2.1 零位溫漂89-90
• 4.3.2.2 刻度因子溫漂90-91
• 4.4 兩種熱穩(wěn)定性模型的特點分析91-96
• 4.4.1 電容間隙的設(shè)置91-92
• 4.4.2 零位溫漂分析92-94
• 4.4.3 刻度因子溫漂分析94-96
• 4.5 微加速度計的熱穩(wěn)定性的影響因素96-105
• 4.5.1 彈性模量的溫度系數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響97
• 4.5.2 制造誤差對熱穩(wěn)定性的影響97-99
• 4.5.3 敏感結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響99-102
• 4.5.3.1 錨點位置對熱穩(wěn)定性的影響99-100
• 4.5.3.2 電容大間隙與電容小間隙的比值對熱穩(wěn)定性的影響100-101
• 4.5.3.3 梳齒寬度對熱穩(wěn)定性的影響101-102
• 4.5.4 封裝參數(shù)對熱穩(wěn)定性的影響102-105
• 4.5.4.1 粘接膠的彈性模量對熱穩(wěn)定性的影響102-104
• 4.5.4.2 襯底厚度對熱穩(wěn)定性的影響104-105
• 4.6 本章小結(jié)105-106
• 第5章 提高微加速度計熱穩(wěn)定性的改進(jìn)結(jié)構(gòu)106-116
• 5.1 提高微加速度計熱穩(wěn)定性的措施106-107
• 5.1.1 降低零位溫漂的可采用措施106
• 5.1.2 降低刻度因子溫漂的可采用措施106-107
• 5.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)及其幾何特點107-109
• 5.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性分析109-113
• 5.3.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的熱變形109-111
• 5.3.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的零位溫漂111-112
• 5.3.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的刻度因子溫漂112-113
• 5.4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)有效性的有限元驗證113-114
• 5.5 本章小結(jié)114-116
• 第6章 微加速度計的制造與熱穩(wěn)定性測試116-137
• 6.1 微加速度計的制造116-119
• 6.2 微加速度計的熱穩(wěn)定性測試方法119-124
• 6.2.1 熱穩(wěn)定性的測量儀器119-121
• 6.2.2 預(yù)熱漂移的測試方法121
• 6.2.3 溫漂的測量方法121-124
• 6.3 微加速度計的熱穩(wěn)定性測試結(jié)果與討論124-130
• 6.3.1 預(yù)熱漂移124-126
• 6.3.2 零位溫漂126-128
• 6.3.3 刻度因子溫漂128-130
• 6.4 微加速度計的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的有效性驗證130-135
• 6.4.1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的預(yù)熱漂移130-132
• 6.4.2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的零位溫漂132-134
• 6.4.3 改進(jìn)結(jié)構(gòu)的刻度因子溫漂134-135
• 6.5 本章小結(jié)135-137
• 結(jié)論與展望137-140
• 致謝140-141
• 參考文獻(xiàn)141-153
• 攻讀博士期間發(fā)表論文及科研成果153

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本文編號：1038516