声—振动多功能传感器减振封装研究

宫纯青 郭俊敏 殷景华 刘晓为

(1.天津现代职业技术学院，天津 300350；2．中国电子科技集团公司 第46研究所，天津 300220；3．哈尔滨理工大学 应用科学学院，黑龙江 哈尔滨 150080；4．哈尔滨工业大学MEMS中心，黑龙江 哈尔滨 150001）

1 引言

MEMS器件与传感器经过近十年的发展已相当成熟，目前已有部分产品实现了批量生产，因此裸芯片的价格可望得到大幅度下降。开发低成本的封装方法，满足MEMS产品封装的制造成本将成为制约MEMS产品市场进一步扩大的关键因素。

目前投入使用的战场传感器有振动传感器（通过仪器的拾震装置来捕捉人员或车辆活动引起的震动信号）、声传感器（利用能够灵敏地接受战场声响探测装置，分辨侦察区域内敌方目标的性质，监视其活动情况）。

2 传感器减振部分的计算机模拟

2.1 实体建模

减振模型如图1所示。

图1 橡胶减振模型

2.2 改变空腔尺寸及整体高度进行模态分析

模型整体尺寸设为 8×8×1.5mm，空腔底面边长 (3.4×3.4mm)不变，增加空腔的高度，模拟结果如表1所示。由表1可知，随空腔高度的增加（质量的减小），固有频率在减小。

表1 模型空腔高度和固有频率的关系

模型底边尺寸设为 8×8，空腔体积不变（3×3×0.58mm），增加空腔上部橡胶的厚度，结果如表2所示。结果表明，随模型总体积（质量）的增加，固有频率在减小。

表2 模型空腔上部厚度与固有频率的关系

结果表明：由于振动传感器频率测量范围是0-1kHz的信号；声传感器测量的主要是人的语音信号（850Hz左右）。综合考虑微振动-声多功能传感器的测量范围和模型的减振效果及传感器本身尺寸的限制，选择高为1.5mm，空心高为0.8mm、底面边长约为3.4mm的模型（固有频率约为3000Hz），可以满足减振封装设计的要求。

2.3 模型的静态分析

静态分析确定橡胶模型上力的分布和模型对力的承受能力及减振情况。 整体为 8×8×1.5，空腔为 3.4×3.4×0.8 的模型(单位：mm)。

在距底面0.1mm的节点上加力。表3列出所选节点的节点号与FZ方向的应力及载荷力。

表3 选中节点的应力和载荷力与施加力及等效压强比较

分析表中的数据：加在模型底面的应力(或力)，传到上表面后减小，表明整体为 8×8×1.5mm、空腔为 3.4×3.4×0.8mm 的模型具有减振作用；上表面应力分布发生变化，芯片边缘应力增大。

2.4 全瞬态分析的过程

瞬态的分析过程，束缚芯片上表面，在橡胶下底面施加4.11e-9cos（628t）N（沿 Z 方向）的变力。 拾取 Y=0 轴上、0≤X≤0.004范围内的一个节点，记录所选节点的节点号和坐标。在底面施加4.11e-9cos（6280t）N（沿Z方向）的力。橡胶底面和表面在同一直线的节点及相应的载荷力，如表4所示。

表4 节点与载荷力

用C表示衰减度，Smax和Smin分别表示底面和顶面载荷力，则由C=(Smax-Smin)×100%/Smax可得到施加载荷频率与C之间的对应关系，如表5所示。结果表明，频率越高，橡胶的减振效果越好，这个结果和防振橡胶的特征是一致的。

表5 施加载荷频率与衰减率的关系

3 结论

对模型分别施加100HZ和1000HZ两种频率的力进行瞬态分析，即给橡胶垫底部加载一余弦变化力，在一个振动周期内，传递到橡胶垫与芯片接触面的力分别减振了98.708%和99.212%，说明本文所设计的模型对频率大的力减振效果好。

以上这些结论为微震动-声传感器的封装关键技术设计方案的制定提供了设计依据。

[1]李玉珍.“未来电子系统可靠性面临的困难”.《电子产品可靠性与环境试验》.1999年第3期总第99期

[2]张威 张大成 王阳元.“MEMS概况及发展趋势”.《微纳电子技术》.2002年第1期

[3]高尚通.“跨世纪的微电子封装”，《半导体情报》，2000：37（6）：1-7

[4]龚曙光.《ANSYS基础应用及范例解析》，北京：机械工业出版2003.1