非晶硅微測輻射熱計振動和沖擊仿真研究.pdf

1、微測輻射熱計具有功耗低、重量輕、成本低以及易批量化生產等特點，在軍民領域均有廣泛應用。本文以非晶硅微測輻射熱計為研究對象，采用有限元分析方法，對微橋結構的基礎力學特性和動力學特性進行仿真分析；針對探測器組件，分析封裝腔體內稀薄氣體產生的原因和振動氣膜壓膜效應。最后，通過實物器件的振動和沖擊試驗，對仿真結果進行部分驗證。
　　微測輻射熱計的微橋結構共振頻率較高，微橋橋面形變最大，橋腿最容易出現(xiàn)屈曲。Y型橋腿結構穩(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力屈曲值為0.55MPa，而一階壓應力屈曲值為0.18MPa，結構張應力穩(wěn)定性高于壓應力狀態(tài)。在實際薄膜制備中，應盡量調整工藝及結構參數(shù)使微橋橋腿結構處于張應力狀態(tài)，同時確保應力數(shù)值不超過屈曲載荷。
　　低頻振動激勵不會對微橋結構產生顯著影響。微橋橋面振動位移最大，應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。當經受2(m/s2)2/Hz的隨機振動時，橋面形變最大，應力集中在橋腿和橋墩連接處的內側。當進行500g的峰值加速度沖擊時，微橋結構形變延遲約0.2ms。X、Y、Z三方向沖擊最大應力分別為0.28MPa、0.42MPa、0.56MPa，Z方向沖擊應力超過了張應力屈曲值，結構處于不穩(wěn)定狀態(tài)。
　　封裝真空度對微結構振動影響較大。影響器件封裝真空度的主要因素包含：封裝工藝缺陷、材料（諸如粘結劑、殘留聚酰亞胺等）緩慢釋放以

4、及封裝外殼形變導致真空泄漏。因器件封裝真空泄漏而產生的少量稀薄氣體，會使微橋結構在振動時承受更大的壓力，腔體內氣壓越高，微橋結構承受的壓力越大。
　　實物器件在經受2(m/s2)2/Hz隨機振動試驗后，解剖觀察發(fā)現(xiàn)微橋結構完整，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；在經受1000g過沖擊試驗后，解剖觀察發(fā)現(xiàn)微橋結構出現(xiàn)部分坍塌及脫落，部分微橋橋腿變形過大以致撕裂，導致結構失穩(wěn)。在經受X、Y、Z三方向沖擊試驗后，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，脫落微橋結構與鄰近微橋結構重疊，出現(xiàn)成片變形甚至失效。振動和沖擊仿真研究結果與實物器件可靠性試驗及解剖結果具有較好的一致性。研究結果表明：在2(m/s2)2/Hz隨機振動、500g峰值加速度沖擊的條件下，非晶硅微測輻射熱計具有較好的動力學穩(wěn)定性能，能滿足器件耐受環(huán)境力學試驗的可靠性