MEMS惯性传感器及其封装之间相互作用建模的挑战

热效应对MEMS性能的模拟

MEMS惯性传感器，如加速度计和陀螺仪，已经在消费者市场取得了商业上的成功，在消费者市场，缩小尺寸和成本比精度更重要。这些传感器被归类为商业级产品，尽管它们通常用于消费者应用。bob娱乐官网入口今天，MEMS惯性传感器正在为战术级应用敲开大门，那里对精度的要求要高得多。MEMS产bob娱乐官网入口品可能有一天会进入导航级应用领域，精确度要求更加严格。为了满足战术和导航级惯性传感器的精度和性能要求，MEMS设计师不仅必须考虑传感器本身，还必须考虑产品与周围环境的交互(从包装开始)。在Coventor，我们有一个新的仿真平台，可以用来创建MEMS传感器及其封装的紧凑模型，提供了一种有效研究MEMS惯性传感器总体行为的方法。

封装与传感器联合仿真的设计流程

我们提出的设计流程是基于一个重要的观察。一般来说，MEMS封装的尺寸比底层传感器结构的尺寸大一个数量级(或更多)。包在几何上也相当简单。虽然封装通常是立方体的形状，但现代的惯性传感器可以包含数百个连接的形状，如梳状电容器、悬挂梁和惯性质量。使用标准的有限元分析对MEMS传感器和封装进行建模具有挑战性，特别是考虑到器件之间的耦合物理特性时。

解决这个问题的方法是采用混合方法(图1)就像在Coventor国会议员^®．在这种方法中，使用standard模拟包CoventorWare^®有限元分析(图1中,一个)，并与在该系统中创建的传感器模型相耦合微机电系统+^®（图1中,B)．的MEMS +模型包含专门的多物理有限元，或“MEMS构建块”，专门用于MEMS传感器设计。完整的模型(传感器和封装)可以在MEMS+中进行仿真，或者使用MATLAB/Simulink将其包含在系统或电路设计中^®和节奏/幽灵^®（图1中,C)．

我们的设计流程适用于3轴陀螺仪

为了获得三轴陀螺仪组件的热-力学行为，我们使用CoventorWare有限元模型模拟其在不同温度下的变形，该模型由11万六面体，27节点网格砖单元组成。同时，我们创建了一个陀螺仪传感器的行为模型微机电系统+由多个相互连接的组件组成:壳板、伯努利光束、Timoshenko光束、静电驱动和电容传感电极。该模型内部由完全耦合的非线性系统矩阵表示，支持14k机械自由度(DoF)， 10个电自由度，3个角速度输入和9个电容输出。

然后将包变形数据导入微机电系统+行为模型使用专门的包建模组件。此组件确保MEMS +与封装接触的物体根据节点、有限元计算的封装位移进行变形或位移。微机电系统+物体会因封装施加的应变和应力而机械变形或位移，这种变形也会由于表面和间隙变形而影响设备的静电行为(力和电容)。由此产生的微机电系统+换能器的型号和封装如图所示图2．

利用该模型，我们模拟了感应电容、共振频率和角速度速率灵敏度随温度的变化。感知电容和共振频率与实际测量结果很好地吻合，而角速度没有经过实验研究或测量(见图3)．

结论

提出了一种集成在其封装中的MEMS传感器的仿真解决方案。该解决方案已经使用Coventor实现国会议员，一个面向MEMS设计人员的设计自动化平台。Coventor国会议员利用有限元和降阶建模的集成组合，实现多物理、几何复杂结构的联合仿真。这是一种实用的、经过验证的模拟和提高封装MEMS产品性能的解决方案。bob娱乐官网入口
我们在2017年惯性传感器和系统会议[1]上发布了这一分析结果。如果您想了解更多，请随时下载我们的论文或联系我们一个示范。我们也渴望听到任何模拟问题，你有-也许我们可以帮助?

参考

A. Parent, C. J. Welham, T. Piirainen, A. Blomqvist，模具级封装三轴MEMS陀螺仪性能的热-力学模拟惯性传感器与系统，卡尔斯鲁厄，德国