深入了解基于 MEMS 的陀螺仪的封装应力和温度变形的技术

Transducers 2021是一个久负盛名的国际会议,回顾了固体传感器、致动器和微系统的进展。在今年的会议上,来自29个不同国家的391篇论文被发表,超过700名与会者出席了此次活动。

在会议期间,一篇特定的演讲引起了我的注意。ADI院士兼Analog Devices高级MEMS技术总监Sam Zhang发表了题为“高性能 MEMS 的高保真建模”的演讲

Analog Devices 一直是MEMS传感器与其封装的交互建模的先驱,该主题的相关论文可以追溯至2007年[1]。

多年来,他们一直使用MEMS传感器与封装的联合建模作为研发MEMS器件的高性能传感器的基础。自那时以来,他们不断提高建模技术以支持高度复杂的分析。

在演讲中,Sam描述了Analog Devices如何通过将封装应力耦合到其多物理场传感器模型来模拟封装应力对陀螺仪性能的影响。这些模型使用的技术类似于Coventor先前发表的技术[2]。

这是一个动态的迭代建模过程,Analog Devices的工程师通过仿真来模拟由于封装应力产生的器件失调(以及其他性能指标)。

Sam指出,“动态仿真非常复杂,因为它是一个双向耦合系统”。实际上,由于陀螺仪与其封装的机械和静电耦合,封装变形以多种方式影响MEMS器件。

Analog Devices 的 Sam Zhang 友情提供

为了模拟封装应力的影响，Analog 在MEMS + ®中建立了换能器的非线性多物理场动态模型。使用此模型，他们使用有限元分析将静态封装变形应用于整个 MEMS 传感器，并查看陀螺仪输出偏移的变化。

这种类型的分析始于设计人员对其设备的材料特性和潜在工艺变化有很好的了解。一旦构建了 MEMS 设备的模型，设计人员就可以将环境条件（例如温度变化）应用于封装，并模拟封装应力并将其与性能变化相关联。

在此分析中，Analog Devices 设计人员使用了小信号和大信号 AC 分析以及瞬态分析技术。在这些研究中，传感器不同部分的测量尺度差异很大，从几微米的谐振器位移到数百纳米的基板，再到几皮米的传感器信号测量。需要设计的这些尺寸特性来支持具有严格动态范围和高信噪比的高精度传感器。

使用有限元建模软件对基于 MEMS 的陀螺仪进行 AC 和瞬态仿真的计算量可能非常大，因为需要以较大的自由度对模型中的许多元素进行仿真。

MEMS + 使用降阶模型，运行速度比传统有限元模型快 100 倍，使其更适合这些复杂的动态仿真。在他的演讲中，Sam 指出：“实际上，通过这种技术，我们真正成功地模拟了陀螺仪和加速度计随温度和应力性能的偏移。”

这次演讲展示了如何对复杂的封装和温度变形效应进行高保真建模,以及利用MEMS+实现快速准确的分析。Analog Devices 是MEMS器件行业的翘楚,生产最精密的传感器,其产品在全球范围广泛采用。

我很荣幸可以听取他们在Transducers 2021大会上的报告,我很喜欢他们在 2021 年换能器会议上的演讲，并希望在即将于日本京都举行的 2023 年Transducers会议上听到更多关于他们未来成功的信息。