聲—振動多功能傳感器減振封裝研究

宮純青 郭俊敏 殷景華 劉曉為

(1.天津現代職業技術學院，天津 300350；2．中國電子科技集團公司 第46研究所，天津 300220；3．哈爾濱理工大學 應用科學學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4．哈爾濱工業大學MEMS中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

1 引言

MEMS器件與傳感器經過近十年的發展已相當成熟，目前已有部分產品實現了批量生產，因此裸芯片的價格可望得到大幅度下降。開發低成本的封裝方法，滿足MEMS產品封裝的制造成本將成為制約MEMS產品市場進一步擴大的關鍵因素。

目前投入使用的戰場傳感器有振動傳感器（通過儀器的拾震裝置來捕捉人員或車輛活動引起的震動信號）、聲傳感器（利用能夠靈敏地接受戰場聲響探測裝置，分辨偵察區域內敵方目標的性質，監視其活動情況）。

2 傳感器減振部分的計算機模擬

2.1 實體建模

減振模型如圖1所示。

圖1 橡膠減振模型

2.2 改變空腔尺寸及整體高度進行模態分析

模型整體尺寸設為 8×8×1.5mm，空腔底面邊長 (3.4×3.4mm)不變，增加空腔的高度，模擬結果如表1所示。由表1可知，隨空腔高度的增加（質量的減小），固有頻率在減小。

表1 模型空腔高度和固有頻率的關系

模型底邊尺寸設為 8×8，空腔體積不變（3×3×0.58mm），增加空腔上部橡膠的厚度，結果如表2所示。結果表明，隨模型總體積（質量）的增加，固有頻率在減小。

表2 模型空腔上部厚度與固有頻率的關系

結果表明：由于振動傳感器頻率測量范圍是0-1kHz的信號；聲傳感器測量的主要是人的語音信號（850Hz左右）。綜合考慮微振動-聲多功能傳感器的測量范圍和模型的減振效果及傳感器本身尺寸的限制，選擇高為1.5mm，空心高為0.8mm、底面邊長約為3.4mm的模型（固有頻率約為3000Hz），可以滿足減振封裝設計的要求。

2.3 模型的靜態分析

靜態分析確定橡膠模型上力的分布和模型對力的承受能力及減振情況。 整體為 8×8×1.5，空腔為 3.4×3.4×0.8 的模型(單位：mm)。

在距底面0.1mm的節點上加力。表3列出所選節點的節點號與FZ方向的應力及載荷力。

表3 選中節點的應力和載荷力與施加力及等效壓強比較

分析表中的數據：加在模型底面的應力(或力)，傳到上表面后減小，表明整體為 8×8×1.5mm、空腔為 3.4×3.4×0.8mm 的模型具有減振作用；上表面應力分布發生變化，芯片邊緣應力增大。

2.4 全瞬態分析的過程

瞬態的分析過程，束縛芯片上表面，在橡膠下底面施加4.11e-9cos（628t）N（沿 Z 方向）的變力。 拾取 Y=0 軸上、0≤X≤0.004范圍內的一個節點，記錄所選節點的節點號和坐標。在底面施加4.11e-9cos（6280t）N（沿Z方向）的力。橡膠底面和表面在同一直線的節點及相應的載荷力，如表4所示。

表4 節點與載荷力

用C表示衰減度，Smax和Smin分別表示底面和頂面載荷力，則由C=(Smax-Smin)×100%/Smax可得到施加載荷頻率與C之間的對應關系，如表5所示。結果表明，頻率越高，橡膠的減振效果越好，這個結果和防振橡膠的特征是一致的。

表5 施加載荷頻率與衰減率的關系

3 結論

對模型分別施加100HZ和1000HZ兩種頻率的力進行瞬態分析，即給橡膠墊底部加載一余弦變化力，在一個振動周期內，傳遞到橡膠墊與芯片接觸面的力分別減振了98.708%和99.212%，說明本文所設計的模型對頻率大的力減振效果好。

以上這些結論為微震動-聲傳感器的封裝關鍵技術設計方案的制定提供了設計依據。

[1]李玉珍.“未來電子系統可靠性面臨的困難”.《電子產品可靠性與環境試驗》.1999年第3期總第99期

[2]張威 張大成 王陽元.“MEMS概況及發展趨勢”.《微納電子技術》.2002年第1期

[3]高尚通.“跨世紀的微電子封裝”，《半導體情報》，2000：37（6）：1-7

[4]龔曙光.《ANSYS基礎應用及范例解析》，北京：機械工業出版2003.1