论文总字数：30222字

摘 要

硅微谐振式加速度计是一种潜在的高精度加速度计，由于其优良的性能，成为MEMS惯性器件的一个研究热点，在军事和民用领域有着广泛的应用前景。本课题围绕硅微谐振式加速度计的结构设计与封装展开研究，完成的主要工作如下：

（1）阐述了微谐振式加速度计的工作原理；建立了硅微谐振式加速度计的力学模型；推导了在轴向力的作用下，谐振梁谐振频率的计算公式；推导了标度因数的计算公式。

（2）完成了谐振器、微杠杆机构、支撑梁等局部结构的设计以及整体结构的设计。其中，谐振器的设计包括确定其谐振梁的结构形式、尺寸参数、谐振梁间距以及驱动与检测方式；微杠杆机构的设计包括微杠杆结构形式的选择、尺寸参数的确定。在此基础上，设计了一种分体式硅微谐振式加速度计，消除了两个谐振器之间的机械耦合。利用有限元仿真软件ANSYS进行模态分析，得到分体式硅微谐振式加速度计的空载频率为34892Hz，标度因数为335Hz/g。

（3）利用有限元仿真软件ANSYS对设计的分体式硅微谐振式加速度计进行了封装仿真研究，主要研究了粘胶的材料参数、尺寸、固化温度等对加速度计芯片的影响，为优化封装过程及相关参数提供了指导意义。

关键字：硅微谐振式加速度计；分体式结构；封装仿真；ANSYS。

ABSTRACT

The Silicon Resonator Accelerometer is a potentially high-precision accelerometers with excellent performance, it is becoming a hot research direction of MEMS inertial devices. It has great value and b- road application prospects in the national economy and national defense and military fields. This paper will focus on the design and packaging of silicon resonator accelerometer, combines with theoretical ana- lysis, with the help of the ANSYS finite element analysis software, design a separated silicon resonato ac- celerometer. Based on this, completes accelerometer’s packaging, and focus on the impact of viscose on accelerometer performance in the packaging process.

The main topics of this work are as follows:

(1)Details the working principle of silicon resonator accelerometer, set up the mechanical model of silicon resonator accelerometer. Deduce the formula of resonant beam’ resonant frequency under the axial force, and the formula of scale factor.

(2)Completes the designs of resonators, micro-lever, support beams and overall structure. The design of resonators includes the style of structure, size parameters, spacing of resonator beams and approach of driven and detection. The design of micro-lever includes the style of structure and size parameters. The de- sign of separated silicon resonator accelerometer can eliminate the mechanical coupling. With the help of the ANSYS finite element analysis software, get the natural frequency of the silicon resonator accelerometer is 34892Hz, the scale factor is 335Hz/g.

(3)Compete the packaging process upon the structural design of the silicon resonator accelerometer, research the impacts of the viscose in the packaging process. Use the ANSYS for thermal stress, determine the impact of viscose material, size, curing temperature for accelerometer chip.

Key Words: Silicon resonator accelerometer; separated structure; packaging structure; ANSYS.

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与研究意义 1

1.2 硅微谐振式加速度计的研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 MEMS封装技术的研究现状 6

1.3.1 MEMS封装技术 6

1.3.2 微陀螺仪封装技术 7

1.3.3 微加速度计封装技术 8

1.4 本课题的研究内容 9

第二章 硅微谐振式加速度计的基本理论 10

2.1 硅微谐振式加速度计的工作原理 10

2.2 硅微谐振式加速度计的力学模型 10

2.3 轴向力作用下的谐振频率 11

2.4 标度因数 12

2.5 本章小结 13

第三章 硅微谐振式加速度计结构设计 14

3.1 设计要求 14

3.2 谐振器结构设计 14

3.2.1 谐振器结构形式 14

3.2.2 谐振梁尺寸参数 14

3.2.3 谐振梁间距 15

3.2.4 谐振器整体结构 16

3.2.5 驱动方式与检测方式 17

3.3 微杠杆结构设计 17

3.3.1 微杠杆结构形式 18

3.3.2 微杠杆的放大倍数 18

3.3.3 微杠杆的尺寸参数 19

3.4 支撑梁结构设计 20

3.5 整体结构设计 21

3.5.1 结构耦合分析 21

3.5.2 结构耦合仿真分析 22

3.5.3 解耦式加速度计设计与仿真 24

3.5.4 参数计算 27

3.6 本章小结 27

第四章 硅微谐振式加速度计封装仿真研究 28

4.1 封装的整体结构说明 28

4.2 封装过程中粘胶的影响 29

4.2.1 杨氏模量的影响 29

4.2.2 热膨胀系数的影响 30

4.2.3 几何尺寸的影响 31

4.2.4 厚度的影响 33

4.2.5 厚度不均的影响 34

4.2.6 固化温度的影响 35

4.3 本章小结 36

第五章 总结与展望 37

5.1 课题工作总结 37

5.2 未来工作展望 37

参考文献 39

致谢 41

绪论

课题背景与研究意义

随着微机械加速度计发展，其应用越来越广泛，从最初的军用工业发展到如今的民用生产工业。硅微机械加速度计作为一种典型的MEMS加速度计，由于其显著的体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性等优点，在诸多类型的加速度计中脱颖而出，成为当今加速度计的发展潮流之一。

20世纪70年代初，Draper实验室以洲际导弹和潜射弹道导弹惯导系统为应用目标，首次提出了硅微谐振式加速度计。硅微谐振式加速度计是一种潜在的高精度加速度计，其基本的工作原理是利用谐振梁的力频特性，将被测加速度信号转换为谐振器频率的变化。采用数字信号的输出方式，抗干扰能力强，在传输和处理中不易产生误差，同时具有很高的灵敏度和分辨率。另外硅微谐振式加速度计还具有体积小、重量轻、功耗低等优点，已经成为高性能加速度计的重要发展方向之一。随着硅微谐振式加速度计性能逐步优化，其将逐步应用于中高精度的惯性导航控制系统、飞行器系统、战术战略武器制导等应用领域。因此，对硅微谐振式加速度计的结构设计技术作进一步的研究具有重大的现实意义和极其广泛的应用前景。

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