具有增强热稳定性的双轴MEMS加速度计的结构-封装协同设计

《Sensors and Actuators A: Physical》：Structure–Packaging Co-Design of a Dual-Axis MEMS Accelerometer with Enhanced Thermal Stability

MEMS双轴加速度计通过结构-封装协同优化实现-40℃至+125℃宽温域稳定输出，采用正交安装两枚单轴芯片，通过优化梳状电极几何参数（22.5μm长度/2.5μm宽度）、建立热-力-电耦合模型，以及创新性100μm全表面硅胶封装工艺，有效抑制热应力导致的零偏漂移（<2mg）和灵敏度波动（<8mg）。研究构建了仿真-封装-测试闭环验证体系，揭示封装材料热膨胀系数匹配、胶层厚度与覆盖范围对热传导路径的关键影响，为高精度惯性导航器件开发提供理论支撑与工程范式。

　　本文探讨了一种针对双轴MEMS电容式加速度计的结构与封装协同设计策略，旨在提升其在极端温度环境下的热稳定性，以满足商业航空航天、汽车以及极端应用场景中对高性能的要求。研究的核心在于如何通过系统优化结构设计、封装材料以及封装方式，来实现设备在温度波动范围内的稳定运行。这一设计思路不仅有助于提升设备的性能，还对确保其在恶劣环境中的长期可靠性具有重要意义。

在航空航天领域，随着低轨卫星星座、再入飞行器以及模块化载荷平台等任务的不断推进，对高精度、高稳定性的传感器需求日益增长。同样，在智能汽车领域，L3/L4级别的自动驾驶系统以及车对万物（Vehicle-to-Everything, V2X）技术也对加速度计提出了更高的要求。这些应用场景通常伴随着极端的温度变化、强烈的振动以及长期运行的挑战，对加速度计的结构设计、封装工艺和热稳定性提出了严峻考验。

当前的工程实践表明，MEMS加速度计必须具备多轴测量能力、长期热稳定性以及微米级结构可靠性，才能满足空间和汽车应用的需求。单轴加速度计已无法满足对三维姿态和纵向动态响应的高冗余感知要求。相比之下，双轴或甚至多轴加速度计能够在保持小型化的同时，显著提升信息采集效率。本文聚焦于一种基于平面正交结构的XY双轴MEMS电容式加速度计，其采用对称布置的弹性梁-质量块系统以及梳状电容阵列，实现对横向和纵向加速度信息的高灵敏度检测。这种结构在星载微惯性导航系统和高阶自动驾驶传感器模块中具有重要的应用价值。

然而，在空间热循环或汽车级高低温冲击环境下，MEMS设备面临着热应力不匹配和变形累积的风险。研究表明，设备结构与封装材料之间的热膨胀系数差异会导致封装内残余应力的集中，进而引发敏感结构的变形，造成零点偏移、灵敏度下降，甚至设备失效。尤其是在电容式加速度计中，梳状结构的几何参数（如长度、间距、排列密度）不仅决定了输出性能，还与设备的热-机械响应行为密切相关。为了从设计阶段提升设备的热适应性，必须建立一种同时考虑电气灵敏度和热变形约束的结构与封装协同优化路径。

同时，粘接封装作为MEMS封装的一种主流方法，在航空航天和汽车领域对稳定性与一致性要求极高。粘接材料的选择、胶层厚度以及覆盖方案直接影响热传导路径和应力分布模式，从而进一步影响设备在热循环过程中的输出稳定性。尽管已有部分研究涉及粘接工艺中的材料参数分析，但系统性的结构、封装工艺与热-机械-电气多物理场模型的耦合建模和实验验证仍较为缺乏。尤其是在双轴结构日益复杂的情况下，结构-封装-热环境的集成优化设计仍是一个未解决的关键科学与工程问题。

因此，本文提出了一种结构-封装-热耦合优化设计方法，专门针对需要高热稳定性的XY双轴电容式MEMS加速度计。该设备本身为单轴平面电容式加速度计，其“双轴”功能是通过系统级的X/Y正交安装两个相同的单轴芯片实现的。首先，在结构层面，通过调整梳状结构的长度和排列密度，实现了灵敏度与热容量差异之间的最佳平衡。然后，利用COMSOL平台建立热-力-电耦合模型，以模拟不同结构与封装组合在多种热边界条件下的频率稳定性与应力演变特性。随后，系统分析了不同粘接策略和材料参数在大温差条件下的热传导路径以及设备输出的一致性。最后，完成了晶圆加工和标准封装流程，并搭建了测试平台，以验证设备的频率响应和灵敏度，构建了一个设计-模拟-测试的反馈循环。

在此框架下，本文的创新点主要体现在三个方面：首先，结构-封装协同设计。我们提出了一种创新的结构与封装协同设计策略，有效提升了MEMS加速度计的热稳定性。这种集成方法在概念设计到实际部署的整个过程中，对结构和封装元素进行协同优化，从而在宽温度范围内最小化热漂移。其次，闭环评估系统。我们通过将模拟、制造和实验测试有机结合，构建了一个全面的反馈循环，以验证设计。通过热-机械-电气耦合模拟与物理测量的结合，我们确保了MEMS加速度计在极端环境下的高可靠性。这种闭环框架不仅对性能验证至关重要，也为后续的MEMS加速度计设计迭代提供了重要的指导。第三，热稳定性与工艺优化。我们开发了减少封装过程中热诱导应力的封装工艺。通过选择粘接材料、胶层厚度以及覆盖方案，并结合全温度范围稳定性测试验证这些选择，设备在宽温度范围内实现了更可控的偏移和灵敏度，显著提升了长期可靠性，并提供了可重复使用的、工程化的封装设计指南。

本文的研究成果不仅为确保XY双轴MEMS加速度计在多场景下的高可靠性应用提供了理论支持和工程路径，还为下一代具备热漂移抑制能力的MEMS惯性设备的设计奠定了基础。其结果在高端应用如商业航空航天、汽车电子、无人系统和深空探索等领域具有广泛的推广价值和实际意义。

在传感机制方面，本文设计的双轴MEMS加速度计采用梳状电容式传感机制。当设备受到加速度作用时，移动梳齿与固定梳齿之间的重叠区域发生变化。这种变化直接导致两个电极板之间的电容变化，而电容变化与施加的加速度成正比，如图1所示。电容变化与加速度的线性关系确保了设备在检测横向和纵向加速度信息时的高精度。

为了建立模拟模型，本文介绍了如何在COMSOL平台上构建双轴MEMS加速度计的仿真模型，重点在于结构、材料属性设置以及边界条件的配置。根据设计要求，仿真模型准确地建模了敏感层、固定点、上下基板以及粘接点等组件，并将这些组件定义为独立的物理域，以便进行精确的几何设置。

在模拟结果和数据特性方面，本文通过一系列初步的参数化模拟，研究了敏感层几何结构对设备灵敏度和长期稳定性的影响。结果表明，最佳的结构配置为梳状结构长度22.5微米，梳状结构宽度2.5微米，中央区域和外围区域分别具有21和52个梳状指。这种配置在灵敏度、应力抑制以及热漂移稳定性等关键指标上表现出色，并被用于后续的优化和实验验证。

在芯片制备和封装流程方面，本文完成了双轴MEMS加速度计芯片的制造、系统级封装以及样品制备。设备的制造流程遵循标准的MEMS微加工流程。传感单元采用对称的证明质量-悬臂结构，周围环绕着交错的差分电容阵列，从而实现对X轴和Y轴加速度信息的高精度、平面同步检测。封装流程则采用粘接封装技术，确保了设备在高温和低温环境下的稳定运行。

通过这些方法，本文不仅提供了一种系统的解决方案，还验证了设计的有效性。该研究为高精度导航、自主系统以及太空探索等应用场景中的MEMS惯性传感器发展提供了理论支持和实践指导，推动了新一代MEMS惯性传感器的研发进程。