气体封装式MEMS惯性传感器中Q因子的理解

在Coventor的应用团队中，我们一直在努力改进我们的解决方案，以解决实际的MEMS设计问题。我们持续关注封装技术，尤其是封装MEMS传感器。一般来说，这些封装的目的是为了机械支撑传感器，并允许其访问所需的信号。同时，这些封装可以提供环境保护，并缓解过高温度或机械负载等不良影响[1]。

在MEMS中，惯性传感器通常通过在制造过程中形成的空腔中封装传感器元件来进行封装。该空腔形成了一个密封的腔室。腔室中的气体和压力通常是受控的，因为两者都会强烈影响传感器的性能。

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例如，开环加速度计通常在较高的压力下进行封装，以精确控制传感器的带宽[2]。陀螺仪通常在较低范围的腔室压力下运行，通常在几毫巴的压力范围内，甚至高真空下操作 [3]。这是由于陀螺仪需要更高的灵敏度和更长的衰减时间来检测和测量旋转速率，而较低的压力可以减少气体阻尼对旋转信号的影响，从而提高其性能。

在今年的法国阿维尼翁举行的MEMS IEEE 惯性传感器会议上，我们展示了一张海报，描述了温度变化如何改变三轴陀螺仪的Q因子。在我们的实验中，陀螺仪被封装在一个充满惰性气体的密闭腔体中。根据混合气体定律，环境温度的变化将改变腔体内的压力，这也将改变陀螺仪的Q因数。

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图 1：具有模拟压力轮廓的 3D 陀螺仪模型示例（左），以及具有模拟和测量结果的环境腔压力与 Q 因子图（右）（由 Murata 提供）

对这种影响进行建模并不是易事，因为Q因子本身取决于围绕陀螺仪的腔体的几何形状以及腔体中的压力和气体类型。这种影响可以在使用CoventorMP®构建的示例陀螺仪模型的模拟挤压薄膜阻尼压力等值线图中看到，如图1所示。如预期的那样，形成运动感应质量的大平板的压力很高。然而，压力等值线也会渗出平板的边缘，使腔体气体被迫进入感应质量侧面和腔体之间的通道。

顺便提一下，该陀螺仪的Q因子受到封装腔室内惰性气体的支配。如果没有气体且该器件在高真空中运行，则Q因子由热弹性阻尼和锚阻尼决定，这也可以在CoventorMP中模拟。

正如图1中的图表所显示的那样，我们在CoventorMP中的模拟结果与实测数据吻合良好。当我们的实测数据与模拟结果相符时，这是模型正确运行的很好证明。在设计MEMS器件时，建模组合封装器件相互作用非常重要，因为环境温度变化或机械封装负载引起的性能问题可能会降低MEMS器件的实际性能。正如我们的例子所示，CoventorMP可以用于准确建模MEMS器件和封装之间的相互作用，以确保封装后的器件性能符合设计规格。

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