非晶硅微測輻射熱計(jì)振動(dòng)和沖擊仿真研究.pdf

1、微測輻射熱計(jì)具有功耗低、重量輕、成本低以及易批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在軍民領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。本文以非晶硅微測輻射熱計(jì)為研究對象，采用有限元分析方法，對微橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析；針對探測器組件，分析封裝腔體內(nèi)稀薄氣體產(chǎn)生的原因和振動(dòng)氣膜壓膜效應(yīng)。最后，通過實(shí)物器件的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)，對仿真結(jié)果進(jìn)行部分驗(yàn)證。
　　微測輻射熱計(jì)的微橋結(jié)構(gòu)共振頻率較高，微橋橋面形變最大，橋腿最容易出現(xiàn)屈曲。Y型橋腿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高于I型與L型，

2、橋腿長度對模態(tài)影響較大。L型微橋橋腿的一階張應(yīng)力屈曲值為0.55MPa，而一階壓應(yīng)力屈曲值為0.18MPa，結(jié)構(gòu)張應(yīng)力穩(wěn)定性高于壓應(yīng)力狀態(tài)。在實(shí)際薄膜制備中，應(yīng)盡量調(diào)整工藝及結(jié)構(gòu)參數(shù)使微橋橋腿結(jié)構(gòu)處于張應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)確保應(yīng)力數(shù)值不超過屈曲載荷。
　　低頻振動(dòng)激勵(lì)不會對微橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。微橋橋面振動(dòng)位移最大，應(yīng)力在橋墩和橋腿連接處以及橋面和橋腿連接處集中。微橋的最大形變可高達(dá)0.68μm，超過微腔高度（1μm）的一半，因而橋面容

3、易與襯底沾連。當(dāng)經(jīng)受2(m/s2)2/Hz的隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，橋面形變最大，應(yīng)力集中在橋腿和橋墩連接處的內(nèi)側(cè)。當(dāng)進(jìn)行500g的峰值加速度沖擊時(shí)，微橋結(jié)構(gòu)形變延遲約0.2ms。X、Y、Z三方向沖擊最大應(yīng)力分別為0.28MPa、0.42MPa、0.56MPa，Z方向沖擊應(yīng)力超過了張應(yīng)力屈曲值，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
　　封裝真空度對微結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響較大。影響器件封裝真空度的主要因素包含：封裝工藝缺陷、材料（諸如粘結(jié)劑、殘留聚酰亞胺等）緩慢釋放以

4、及封裝外殼形變導(dǎo)致真空泄漏。因器件封裝真空泄漏而產(chǎn)生的少量稀薄氣體，會使微橋結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)承受更大的壓力，腔體內(nèi)氣壓越高，微橋結(jié)構(gòu)承受的壓力越大。
　　實(shí)物器件在經(jīng)受2(m/s2)2/Hz隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后，解剖觀察發(fā)現(xiàn)微橋結(jié)構(gòu)完整，無坍塌、粘連或脫落情況，橋腿沒有出現(xiàn)明顯的變形和屈曲；在經(jīng)受1000g過沖擊試驗(yàn)后，解剖觀察發(fā)現(xiàn)微橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分坍塌及脫落，部分微橋橋腿變形過大以致撕裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在經(jīng)受X、Y、Z三方向沖擊試驗(yàn)后，解剖

5、觀察發(fā)現(xiàn)三方向的失效率分別為5.6％，6.1%，18.7%，其中 Z方向的耐沖擊性能弱于 X、Y方向。橋腿斷裂處集中在橋墩和橋腿連接處以及橋腿和橋面的連接處，脫落微橋結(jié)構(gòu)與鄰近微橋結(jié)構(gòu)重疊，出現(xiàn)成片變形甚至失效。振動(dòng)和沖擊仿真研究結(jié)果與實(shí)物器件可靠性試驗(yàn)及解剖結(jié)果具有較好的一致性。研究結(jié)果表明：在2(m/s2)2/Hz隨機(jī)振動(dòng)、500g峰值加速度沖擊的條件下，非晶硅微測輻射熱計(jì)具有較好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性能，能滿足器件耐受環(huán)境力學(xué)試驗(yàn)的可靠性