电容式微加速度计的热稳定性研究

发布时间：2017-10-15 20:21

  本文关键词：电容式微加速度计的热稳定性研究

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【摘要】：电容式微加速度计是一种基于微机电系统(MEMS)技术的加速度传感器,在物联网、移动通信、惯性导航等领域均有重要应用。电容式微加速度计的热稳定性是指电容式微加速度计的性能随温度变化而保持恒定的能力。零位温漂和刻度因子温漂是热稳定性的两个主要特征参数,它们分别表征了零位与刻度因子的温度敏感特性。热稳定性严重影响电容式微加速度计的测量精度,是决定其能否应用于惯性导航等高端精密系统的关键因素之一。因此,建立电容式微加速度计的热稳定性的理论模型,尤其是解析模型,并系统、深入的分析其中的关键影响因素,对于热稳定性的设计与提高具有非常重要的理论和工程意义。电容式微加速度计热稳定性的解析建模主要涉及两方面的基础工作：①建立MEMS芯片粘接结构的热变形的解析模型,而芯片粘接也是许多MEMS器件采用的封装工艺,因此,芯片粘接结构的热变形的解析模型对于MEMS器件的热稳定性研究具有普遍意义；②建立电容式微加速度计的零位与刻度因子的解析计算方法。本文首先研究了芯片粘接结构的热变形的解析模型,然后研究了零位与刻度因子的解析计算方法,从而建立了电容式微加速度计热稳定性的解析模型。在此基础上,分析了影响电容式微加速度计热稳定性的关键因素,提出了可以显著提高热稳定性的改进结构,通过实验验证了改进结构的有效性。本文具体的研究内容、方法和主要成果如下：为了建立芯片粘接结构的热变形的解析模型,本文基于变分原理推导出了热变形的高阶微分方程组,并求出了方程组的解析解。模型具有两个优点：①通过将结构的剪切变形处理为二阶剪切变形,实现了热变形的精确计算：②对于模型的高阶微分方程组,通过齐次化横向位移,提出了基于傅里叶级数的解析求解方法,因而提高了计算效率。利用解析模型分析了粘接界面热应力以及芯片衬底的热变形,分析结果表明：界面热应力主要受粘接胶弹性模量的影响,衬底热变形则同时受到粘接胶弹性模量和衬底厚度的影响。根据电容式微加速度计的检测原理,本文推导出了分别基于平板电容模型和保角映射电容模型的零位与刻度因子的解析计算方法。平板电容模型能够得到零位与刻度因子的解析公式,便于进行数值计算和定性分析；而保角映射电容模型则具有更高的计算精度,可以进行定量分析。基于芯片粘接结构的热变形的解析模型、零位与刻度因子的计算方法,本文建立了电容式微加速度计热稳定性的两种解析模型,分别称为平板热稳定性模型和保角映射热稳定性模型。平板热稳定性模型具有零位温漂和刻度因子温漂的解析公式,能够清晰的揭示影响热稳定性的关键因素,而保角映射热稳定性模型虽不具有解析公式,但是计算精度更高。本文建立的热稳定性模型计算效率高,解决了热稳定性的热-机-电耦合特性导致的分析复杂、效率低的问题。利用热稳定性模型,深入分析了热稳定性的关键影响因素。分析结果表明：零位温漂主要是由热变形导致的,零位温漂的大小与制造误差、质量块锚点的位置、粘接胶弹性模量及衬底厚度相关；刻度因子温漂包含两部分,第一部分主要由硅弹性模量的温度系数决定,而第二部分是由热变形导致的；刻度因子温漂的两部分的正负性相反,并且第一部分的绝对值小于第二部分；刻度因子温漂的第二部分的大小与固定梳齿锚点的位置、大电容间隙与小电容间隙的比值、梳齿宽度、粘接胶弹性模量及衬底厚度相关。根据电容式微加速度计热稳定性的理论分析结果,本文提出了可以显著提高热稳定性的改进结构。改进结构通过将质量块锚点安放于结构中心区域,以减小零位温漂；通过减小固定梳齿锚点在敏感方向的长度,以减小刻度因子温漂的第二部分；通过相互抵消刻度因子温漂的第一部分和第二部分,以实现刻度因子温漂的被动补偿。本文制造了电容式微加速度计的实验样品,并进行了测量分析。测量结果证实了热稳定性的理论分析结果的正确性以及改进结构的可行性与有效性。零位温漂的绝对值的平均值由1.85mg/℃降低至0.52mg/℃,刻度因子温漂的绝对值的平均值由162.7ppm/℃降低至50.8ppm/℃。
【关键词】：电容式微加速度计 热稳定性 芯片粘接 制造误差 被动补偿
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 MEMS器件的热稳定性研究现状14-21
• 1.1.1 MEMS器件的热稳定性14
• 1.1.2 弹性模量的温度系数对MEMS器件热稳定性的影响14-16
• 1.1.3 封装对MEMS器件热稳定性的影响16-21
• 1.1.3.1 MEMS封装16-17
• 1.1.3.2 封装效应对热稳定性的影响17-19
• 1.1.3.3 芯片粘接结构的热变形的分析方法19-21
• 1.2 电容式微加速度计及其检测原理21-22
• 1.3 电容式微加速度计的热稳定性及其研究现状22-25
• 1.3.1 电容式微加速度计的零位温漂和刻度因子温漂22-24
• 1.3.2 电容式微加速度计的热稳定性研究现状24-25
• 1.4 课题研究背景、目标及研究意义25-26
• 1.5 本文研究的技术路线和内容组织26-28
• 第2章 MEMS芯片粘接结构的热变形28-58
• 2.1 MEMS芯片粘接结构热变形的解析模型28-47
• 2.1.1 MEMS芯片粘接结构28-29
• 2.1.2 芯片粘接结构的位移和应变29-32
• 2.1.3 衬底和封装基底的本构方程32-33
• 2.1.4 芯片粘接结构的控制方程33-38
• 2.1.4.1 粘接胶层的控制方程33-34
• 2.1.4.2 衬底的控制方程34-37
• 2.1.4.3 封装基底的控制方程37-38
• 2.1.5 控制方程的解析解38-44
• 2.1.6 解析解的有限元验证44-47
• 2.2 粘接胶参数及衬底参数对粘接界面热应力的影响47-51
• 2.2.1 粘接胶弹性模量对界面热应力的影响47-48
• 2.2.2 衬底厚度对界面热应力的影响48-49
• 2.2.3 衬底长度对界面热应力的影响49-51
• 2.3 粘接胶参数及衬底参数对衬底热变形的影响51-55
• 2.3.1 粘接胶弹性模量对衬底热变形的影响51-53
• 2.3.2 衬底厚度对衬底热变形的影响53-54
• 2.3.3 衬底长度对衬底热变形的影响54-55
• 2.4 等效热膨胀系数55-56
• 2.5 本章小结56-58
• 第3章 微加速度计的检测原理及关键参数58-73
• 3.1 微加速度计的检测原理58-61
• 3.2 基于平板电容模型的零位和刻度因子计算方法61-63
• 3.2.1 微加速度计的平板电容模型61-62
• 3.2.2 零位和刻度因子的计算62-63
• 3.3 基于保角映射电容模型的零位和刻度因子计算63-70
• 3.3.1 微加速度计的保角映射电容模型64-68
• 3.3.2 零位和刻度因子计算68-70
• 3.4 微加速度计的非线性误差及其分析70-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第4章 微加速度计的热稳定性建模及分析73-106
• 4.1 微加速度计的热变形分析73-84
• 4.1.1 制造误差对弹簧刚度的影响74-76
• 4.1.2 温度变化引起的质量块位移76-77
• 4.1.3 温度变化引起的电容间隙变化77-78
• 4.1.4 温度变化引起的非对称误差变化和有效电容间隙变化78-79
• 4.1.5 热变形的有限元验证79-84
• 4.2 微加速度计的弹簧刚度的温度系数84-86
• 4.3 微加速度计的热稳定性解析模型86-91
• 4.3.1 基于平板电容模型的热稳定性解析模型86-89
• 4.3.1.1 零位温漂87
• 4.3.1.2 刻度因子温漂87-89
• 4.3.2 基于保角映射电容模型的热稳定性解析模型89-91
• 4.3.2.1 零位温漂89-90
• 4.3.2.2 刻度因子温漂90-91
• 4.4 两种热稳定性模型的特点分析91-96
• 4.4.1 电容间隙的设置91-92
• 4.4.2 零位温漂分析92-94
• 4.4.3 刻度因子温漂分析94-96
• 4.5 微加速度计的热稳定性的影响因素96-105
• 4.5.1 弹性模量的温度系数对热稳定性的影响97
• 4.5.2 制造误差对热稳定性的影响97-99
• 4.5.3 敏感结构的几何参数对热稳定性的影响99-102
• 4.5.3.1 锚点位置对热稳定性的影响99-100
• 4.5.3.2 电容大间隙与电容小间隙的比值对热稳定性的影响100-101
• 4.5.3.3 梳齿宽度对热稳定性的影响101-102
• 4.5.4 封装参数对热稳定性的影响102-105
• 4.5.4.1 粘接胶的弹性模量对热稳定性的影响102-104
• 4.5.4.2 衬底厚度对热稳定性的影响104-105
• 4.6 本章小结105-106
• 第5章 提高微加速度计热稳定性的改进结构106-116
• 5.1 提高微加速度计热稳定性的措施106-107
• 5.1.1 降低零位温漂的可采用措施106
• 5.1.2 降低刻度因子温漂的可采用措施106-107
• 5.2 改进结构及其几何特点107-109
• 5.3 改进结构的热稳定性分析109-113
• 5.3.1 改进结构的热变形109-111
• 5.3.2 改进结构的零位温漂111-112
• 5.3.3 改进结构的刻度因子温漂112-113
• 5.4 改进结构有效性的有限元验证113-114
• 5.5 本章小结114-116
• 第6章 微加速度计的制造与热稳定性测试116-137
• 6.1 微加速度计的制造116-119
• 6.2 微加速度计的热稳定性测试方法119-124
• 6.2.1 热稳定性的测量仪器119-121
• 6.2.2 预热漂移的测试方法121
• 6.2.3 温漂的测量方法121-124
• 6.3 微加速度计的热稳定性测试结果与讨论124-130
• 6.3.1 预热漂移124-126
• 6.3.2 零位温漂126-128
• 6.3.3 刻度因子温漂128-130
• 6.4 微加速度计的改进结构的有效性验证130-135
• 6.4.1 改进结构的预热漂移130-132
• 6.4.2 改进结构的零位温漂132-134
• 6.4.3 改进结构的刻度因子温漂134-135
• 6.5 本章小结135-137
• 结论与展望137-140
• 致谢140-141
• 参考文献141-153
• 攻读博士期间发表论文及科研成果153

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本文编号：1038516