摘 要: 提出一种MEMS 风速计的封装结构, 采用这种结构可以集成信号处理电路, 实现系统功能。利用ANSYS 软件对封装结构进行建模, 主要从风速和风向两个方面, 对风速计封装前后的性能进行了模拟, 并将模拟数据与理想数据和实验数据进行了比较, 模拟数据、理想数据与理想数据的误差在7%以内。总体上, 风速计在封装前后的性能大致相同, 但是在灵敏度方面有所下降。
关键词: M EMS; 热风速计; 封装
经过十几年的发展, MEMS 芯片已相当成熟,封装成为制约MEMS 器件产品化的瓶颈。与传统的IC 封装相比较, MEMS 传感器的封装必须考虑很复杂的参数要求: 首先必要保证敏感元件免受非被测量的环境影响; 其次能提供良好的电信号, 和后续电路有可靠的电气连接; 最重要的一点是使传感部分能够与被测量的物理量能够发生作用。这些意味着MEMS 传感器的封装没有标准, 往往都是针对某一个具体的芯片, 又常常被称为/ 专用封装0[ 1] 。
在MEMS 热风速计的封装方面, 人们做了很多研究。荷兰Delft 理工大学提出了采用芯片背面贴薄层陶瓷片的封装方法[ 2] , 瑞士ETH Zurich 大学采用将风速计的敏感元件暴露在环境中, 将周边电路封装保护的方法实现封装[ 3] , 本实验室的研究生提出了将芯片引线键合到PCB 上, 在PCB 开孔以便芯片通过其自身背面感风的封装方案[ 4] 。但是这些都是针对传感芯片本身, 考虑到信号在传输给后续的外部电路过程中可能出现的干扰, 芯片的灵敏度和精度都将受到一定程度的影响。
本文提出的封装结构将传感器芯片与后续的处理芯片封装在同一管壳内, 只要在其后接上显示装置, 就可以得知风速风向的信息, 基本实现了系统级封装的功能。通过ANSYS 软件建模求解, 得到封装前后的风速计在风速和风向上的性能数据。并将之与实验数据和理想数据[ 5] 比较, 结果基本相符, 但是芯片灵敏度下降。
1 封装结构及封装过程
图1 是本文要封装的风速计芯片结构[ 6] , 其中白色部分是由Pt 金属制成的加热电阻和测温电阻( 中央的圆形结构是加热电阻, 四周的扇形是测温电阻) , 黑色部分是陶瓷基板。本文提出的封装结构剖面如图2 所示。封装完成的风速计芯片在外观上呈现表面贴装器件( SMT ) 。封装管壳( 斜线部分) 采用陶瓷材料, 管壳正面、背面中央均开有腔体。正面腔体用于放置传感器芯片( 网格线部分) , 背面腔体用于放置后续的处理芯片( 竖线部分) 。正面腔体底部有倒装焊所需的金属突点, 背面腔体底部有引线键合所需的焊点, 两者之间由封装管壳内的金属互连( 粗黑线) 实现电连接。封装管脚与背面腔体底部的焊点也通过管壳内的金属互连实现电连接。当环境中风速风向发生变化, 传感器芯片将物理信号转变成电信号传递给后续处理电路, 电路将模拟量转换成数字量输出。
封装先从固定风速计芯片开始, 将芯片倒装焊在封装管壳正面腔体内。由于芯片四周留有空隙,灌入绝热胶实现加热电阻与测温电阻良好的热隔离。然后将管壳倒置, 在管壳背面的腔体内采用引线键合方式固定信号处理电路。最后用胶将电路封包保护, 将背面腔体封盖。
2 ANSYS 软件建模
为了方便利用ANSYS 软件对封装结构进行模拟[ 7] , 考察风速计芯片在封装前后的性能, 对物理模型进行了以下的简化: ¹ 考虑到Pt 金属的热导率很高, 而且金属丝之间的间隙很小, 金属中的热量主要是靠自身的热传导, 所以将金属丝绕成的加热电阻和测温电阻用金属块来代替; º 考虑到芯片的厚度远比整个封装结构的厚度小且周围有绝热胶隔热, 可以假设热风速计芯片产生的热量基本集中在结构的上半部分。基于以上条件,建立了如图3 所示的ANSYS 实体模型。事实上,从图4 所示的无风情况下封装结构内部温度分布云图看( 红色部分为高温区域, 蓝色为低温区域)上述的简化条件º 成立。
3 模拟结果以及与实验数据的比较
本文主要是从风向和风速两个方面来观察风速计芯片在封装前后的性能变化。通过测量在相同风速、不同风向情况下两组相对的测温电阻之间的温度差, 可以得到关于风向的信息; 通过测量在不同风速、相同风向情况下加热电阻的温度变化, 可以得到关于风速的信息。
1) 关于风向
首先, 考察固定风速( 10 m/ s) , 风向在0°至180°范围内变化( 每变化15b计算一次) 的情况, 得到封装前后风速计芯片关于风向检测的性能比较, 如图5 所示。
根据相关理论[ 5, 6] , 理想情况下, 一组相对的测温电阻的温度差随风向应该呈现正弦关系。从图5中可以看出, 在封装前后两种情况下, 同一组测温电阻的温度差随风向的变化曲线与理想的正弦曲线基本相符, 但是很明显的, 封装后最大的温度差要比封装前缩小了十几倍, 说明风速计芯片的灵敏度下降了很多。
一组测温电阻的温度差随风向呈现正弦关系,由于芯片的对称性, 根据几何关系, 同时另一组测温电阻的温度差随风向应呈现余弦关系。处理这样两组数据, 可以得到风速计能够测量出的风向信息。如图6 所示, 封装前后的风速计芯片在固定风速( 10m/ s) , 风向从0b到90b变化( 每变化15b计算一次) 的情况下, 计算得到的风向与起初设置的风向基本相符, 最大误差在4b以内, 具有较高的精度。
为了检验模拟结果的准确性, 本文将封装后的芯片在固定风速( 10 m/ s) , 风向在0b至360b范围内变化( 每变化15b测量一次) 情况下的实验测量数据与模拟结果进行比较, 如图6 所示。实验测量得到的是一组测温电阻的电压差, 经过简单的电路分析可以换算成这组测温电阻的温度差。从图6 中可以看出, 实验数据和模拟结果基本吻合, 与理想的正弦曲线也很好的接近, 最大误差在7%以内。
2) 关于风速
本文将环境参数设置成: 风速从1 m/ s 至10m/ s 范围内变化( 每变化1 m/ s 计算一次) , 风向恒定为0°, 考察芯片中央加热电阻的温度变化。
根据King 定律[ 8] , 加热电阻与环境温差的倒数与风速呈平方根关系。如图8 所示, 芯片加热电阻在封装前后有着相同的变化趋势, 且与理论曲线趋势相一致。但是封装后的芯片随风速的温度变化较封装前要小很多, 说明封装结构一定程度上降低了芯片的灵敏度。
4 结论
本文提出了一种MEMS 热风速计的系统级封装结构, 并通过ANSYS 软件对传感芯片在封装前后的风速风向检测性能进行了模拟比较, 结果与理想情况基本相符。并且还将模拟结果与实验数据进行了比对, 最大误差在7%以内。但是, 风速计的灵敏度在封装后下降很多。由于后续的信号处理电路与风速计集成在同一个管壳内, 信号传输路径短, 受干扰影响较小, 所以封装后风速计的信号可以被信号处理电路采集和处理。
参考文献:
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