惯性微系统封装集成技术研究进展

随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)的器件圆片级封装技术、垂直互连转接板技术、新键合工艺技术等技术研究的出现,惯性微系统正在朝着三维封装集成架构发展,以满足微电子技术更高集成度、更小体积、更低功耗、更低成本的发展需求。介绍了MEMS惯性器件和MEMS惯性微系统三维集成技术,硅通孔(Through Silicon Via,TSV)三维互连技术和倒装芯片技术为惯性MEMS微系统三维集成一体化提供了设计空间,有效地降低了惯性MEMS三维集成模块的体积、质量,提高了集成度,符合未来惯性MEMS三维集成多功能融合趋势的需求。     

陶瓷纤维梯度增强活塞的梯度方程研究

 功能梯度材料零件具有单质材料零件无法比拟的理化性能优势，然而由于材料分布复杂以及对功能梯度材料本身性能研究不充分，使性能分析存在很多困难。论文应用复合材料热性能理论，采用有限元分析软件ADINA，分析陶瓷纤维梯度增强活塞（材料梯度方程的参数不同）的温度分布和应力分布，结果表明陶瓷纤维梯度层可以明显改变活塞温度分布，缓和由于热膨胀系数不匹配，在陶瓷纤维增强层与活塞本体交界处产生的应力。根据计算结果拟合出温度峰值、整体应力峰值和层间应力峰值与方程系数之间的曲线，并加以验证。     

压阻式加速度传感器封装应力隔离结构分析

测试特性的温度漂移是压阻式加速度传感器研发中的固有问题，与器件制造的多个环节相关，是多因素共同作用的结果。封装应力的隔离是消减传感器特性温度漂移的重要手段之一。为详细分析封装应力隔离结构的引入效果及其对传感器测试特性的影响，以传统双桥式敏感结构为基础，采用有限元方法分析了封装应力隔离结构对传感器附加干扰载荷抵抗力的提升作用，并分析了从其引入后对传感器敏感应力和结构固有频率的影响。分析结果表明，引入封装应力隔离结构可有效降低外部干扰应力对传感器敏感结构的影响，同时也会改变结构固有频率在内的传感器测试特性。因而，当封装应力隔离结构应用于高频型加速度传感器时，需通过优化结构质量分布、采用横向敏感结构等方法对提升结构自身固有频率及实现敏感方向与隔离变形方向解耦等问题进行进一步优化。     

含铺层拼接层合板的力学性能

为研究铺层拼接对复合材料层合板力学性能的影响,设计了含不同铺层拼接形式的碳/双马复合材料层合板试件.采用拉伸试验方法测定了材料力学性能,得到了不同拼接形式下层合板的拉伸强度.试验表明,含铺层拼接层合板的失效模式为层间剪切破坏和纤维断裂.建立了铺层拼接层合板的有限元模型,分析了铺层拼接对层合板应力分布和层间应力的影响.     

基于MCM&SOC方案的微惯性器件系统集成技术综述

近年来,在航空航天、武器装备、高端工业等领域的制导、控制等应用需求的牵引下,微惯性器件的尺寸、质量与功耗(SWaP)指标不断提升,配套电路由PCB逐步升级为ASIC。综合工艺复杂度、成本、性能潜力等因素,基于MCM和SoC的MEMS结构与ASIC系统集成方案逐步成为目前的主流选择。介绍了主流微惯性器件MEMS结构与ASIC的MCMSoC系统集成技术现状,并对各集成方案特点进行了分析对比。此外,对微惯性器件MEMS与ASIC系统集成的关键技术进行了总结。最后,简要分析了国内外差距并展望了下一步发展趋势。     

毫米波MEMS移相器及在相控阵中的应用

通过对MEMS移相器的分析,设计了一种采用绝缘介质层与锯齿形共面波导结构的新型毫米波MEMS移相器,有效提高了移相器的单桥相移量并降低了器件的反射损耗.设计了一种适合于分布式MEMS传输线移相器的芯片微封装结构和结构制备工艺,该器件的插入损耗、反射损耗和相移均达到最佳值,且相移量具有非常好的线性关系.     

MEMS惯性测量单元减振系统仿真分析

MEMS惯性测量单元使用MEMS仪表作为角速度和加速度传感器,该传感器对振动和冲击敏感,会引起惯性测量单元的测量误差.MEMS惯性测量单元多用于飞机、炸弹、导弹等振动环境恶劣的地方,因此减振器的设计尤为重要.减振器设计首先要明确惯性测量单元所处的振动环境,其次要明确MEMS惯性测量单元敏感的频点,最后明确惯性测量单元的质量、安装形式.设计了一种用于MEMS惯性测量单元的减振器,减振效率达75％,对振动和冲击均起到衰减的作用,衰减频带展宽,且在峰值的放大倍数低于3.5.     

环氧树脂基直升机复合材料耐坠性性能试验研究

本文主要以目前用于国内直升机结构设计的复合材料为对象,针对不同增强材料和基体材料进行复合材料耐坠性性能的研究,了解复合材料的吸能机理与影响因素,对薄壁管形复合材料件进行了树脂基体及增强材料对吸能性能的影响的较为全面和系统的研究,并建立起评价复合材料吸能性能的三个主要指标,即峰值压溃应力、平均压溃应力和比吸能率,对满足先进军用直升机的复合材料结构的耐坠性要求,改进复合材料结构的耐坠性性能,优化耐坠性结构形式提供了参考.     

基于二级优化技术的襟翼导轨设计方法研究及应用

结构质量对飞机的各项性能具有至关重要的影响,为了有效降低飞机结构质量,合理布置材料,提高材料的利用效率,发展一种二级优化设计技术.以外襟翼平面导轨结构为研究对象,将优化设计问题分解成两个易于求解的子问题——顶层优化设计和底层优化设计,顶层优化设计采用拓扑方法确定腹板的加筋形式,底层优化设计采用尺寸优化确定襟翼导轨的厚度分布;通过两层优化,在结构质量最小化的基础上,使得结构形式最优化.结果表明:在保证应力和位移水平的前提下,二级优化设计技术可以快速有效地减轻结构质量,具有一定的工程应用价值.     

Z-pin 点阵分布对层合板面内压缩性能的影响简

 Z-pin三维增强技术能显著提高层合板层间性能,但会一定程度上引起层合板面内性能劣化。本文着重研究Z-pin植入点阵分布对层合板的面内性能的影响,设计加工了在层合板中植入一定体积分数不同点阵分布的Z-pin增强层合板试样,并进行了面内压缩性能测试,获得了Z-pin的点阵分布对层合板面内压缩强度的影响规律,并利用有限元软件分析了Z-pin点阵分布对面内压缩强度的影响机制。研究表明,Z-pin的植入降低面内压缩强度的原因是其破坏了层合板中的部分承载纤维,层合板的压缩强度与垂直于加载方向截面上的Z-pin分布数量成反比;在层间增强要求允许条件下,Z-pin应尽量平行于面内载荷的承载方向植入。     

MEMs for Aerospace Navigation

The MEMS aerospace market has its own specificities in terms of market size, standards, and performance characteristics (very long term stability, reliability, and safety levels). Improvements are needed for future applications. THALES Avionics has a twenty-year experience in quartz and silicon MEMS design and manufacturing and is recognized as a leader by the French MOD in this field. MEMS pressure sensors and accelerometers are manufactured in large volume and used for safety-critical applications. THALES technology policy focused on planar architecture, die vacuum packaging, and deep reactive ion etching (DRIE) allowing good characteristics for sensors in development. A Silicon Vibrating Beam Accelerometer single chip is now under development. Its operating principle is described with two resonators in push-pull configuration. A tuning fork planar rate gyro is also developed with exactly the same technology for industrial efficiency. Performance results will be addressed. The development and industrialization road-map of theses inertial products is described for the following five years. Gyro-compassing grade inertial sensors would be available during the next decade allowing low-cost, high-grade navigators using simultaneously GNSS receivers and inertial MEMS navigators.     

2022年国外惯性技术发展与回顾

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航会议等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行的详细梳理,总结了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性仪表及惯性导航系统(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前,惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺主要着力于探索降低高端产品的制造成本。     

基于零速修正的行人导航关键技术及研究进展

在室内等卫星导航受限场景下，可采用MEMS惯性传感器对行人进行自主导航定位。采用MEMS惯性传感器的行人自主导航技术主要包括基于步长估计的行人航位推算和基于零速修正的行人导航算法两种方式。首先介绍了两种方式的基本原理，然后重点分析了零速修正的行人导航算法，阐述了相关的关键技术和研究进展。最后，对行人自主导航未来的发展趋势进行了展望，并指出了需要重点关注的技术难点。     

MEMS加速度计的封装建模与粘胶优化

随着MEMS加速度计应用领域的逐渐扩大，其工作环境的温度区间跨度也在不断增大，如何降低由封装过程引入的温度漂移量是MEMS加速度计设计的关键。对一种玻璃-硅-玻璃梳齿加速度计的完整封装结构进行了建模，并且对5种粘胶方式进行了热应力形变仿真，对仿真中温度性能最好的远三点粘胶和最差的全面粘胶这两种方式进行了装表与温度系数测试。实测结果表明，远三点粘胶的加速度计温度性能相比全面粘胶提升了2.5倍，与仿真结果相符。     

一种统一惯性导航方法

捷联式和平台式惯性导航系统的导航方程不同:同一惯性测量系统选取不同导航坐标系时,导航方程也不同;各类力学编排形式多样、结构复杂且输出结果具有局限性.针对这些问题,提出一种统一惯性导航方法.惯性导航试验结果表明,基于统一惯性导航方程与基于传统惯性导航方程解算的结果一致,验证了统一惯性导航方程的有效性.     

微小型飞行器的MIMU系统结构设计方法

针对微小型飞行器安装空间小、承载能力弱的特点,提出一种“T”型结构的微惯性测量单元（MIMU）系统设计方法,采用基于微机电系统（MEMS）技术的新一代微型惯性器件,在深入分析MIMU结构设计基本原则和方法的基础上,设计加工了“T”型支撑结构并组成了实际系统。该MIMU系统充分利用了空间,大大地减小了体积和重量。有限元分析表明：该MIMU力学性能较高,所研制的实际系统实现了微小型飞行器的自主飞行,各性能参数满足要求,是一款适用于微小型飞行器的MIMU。     

广义回归神经网络在冗余捷联惯导故障诊断中的应用研究

针对冗余捷联惯导的故障诊断问题，研究提出了一种基于广义回归神经网络的故障诊断方法。该方法在传感器输出数学模型未知的情况下，仅通过传感器之间的冗余关系，利用传感器正常工作时的测量值和改进的神经网络估计输出值生成残差进行故障诊断。仿真试验表明，利用神经网络补偿产生的残差可以检测到未补偿时的故障。该方法不仅可以检测到单故障，还对多传感器同时发生故障具有一定的检测能力。     

基于微电铸工艺的摩擦接触式微型惯性开关

针对微型惯性开关闭合时间短、接触弹跳问题,设计了增强接触效果的摩擦接触式微型惯性开关。基于MEMS惯性开关工作原理,建立了开关物理模型,研究了不同类型惯性开关的闭合性能,提出了增强接触的摩擦接触方法,设计了摩擦接触式微型惯性开关的结构。为了对比接触性能,基于UV–LIGA叠层光刻和精密微电铸工艺,研制了3种不同类型的惯性开关。最后,进行落锤试验,测试结果显示:施加400g外载加速度时,刚性、柔性、摩擦接触式微型惯性开关的闭合时间分别为10μs、80μs、620μs;在惯性开关中引入摩擦电极,既能延长闭合时间,又能解决弹跳问题。研究结果表明,摩擦接触式微型惯性开关在增强接触效果方面具有很大的优越性。