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非晶硅微测辐射热计振动和冲击仿真研究

作　者: 何敏
导　师: 李伟
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 非晶硅微测辐射热计振动冲击可靠性验证
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微测辐射热计具有功耗低、重量轻、成本低以及易批量化生产等特点，在军民领域均有广泛应用。本文以非晶硅微测辐射热计为研究对象，采用有限元分析方法，对微桥结构的基础力学特性和动力学特性进行仿真分析；针对探测器组件，分析封装腔体内稀薄气体产生的原因和振动气膜压膜效应。最后，通过实物器件的振动和冲击试验，对仿真结果进行部分验证。微测辐射热计的微桥结构共振频率较高，微桥桥面形变最大，桥腿最容易出现屈曲。Y型桥腿结构稳定性高于I型与L型，桥腿长度对模态影响较大。L型微桥桥腿的一阶张应力屈曲值为0.55MPa，而一阶压应力屈曲值为0.18MPa，结构张应力稳定性高于压应力状态。在实际薄膜制备中，应尽量调整工艺及结构参数使微桥桥腿结构处于张应力状态，同时确保应力数值不超过屈曲载荷。低频振动激励不会对微桥结构产生显著影响。微桥桥面振动位移最大，应力在桥墩和桥腿连接处以及桥面和桥腿连接处集中。微桥的最大形变可高达0.68μm，超过微腔高度（1μm）的一半，因而桥面容易与衬底沾连。当经受2(m/s~2)~2/Hz的随机振动时，桥面形变最大，应力集中在桥腿和桥墩连接处的内侧。当进行500g的峰值加速度冲击时，微桥结构形变延迟约0.2ms。X、Y、Z三方向冲击最大应力分别为0.28MPa、0.42MPa、0.56MPa，Z方向冲击应力超过了张应力屈曲值，结构处于不稳定状态。封装真空度对微结构振动影响较大。影响器件封装真空度的主要因素包含：封装工艺缺陷、材料（诸如粘结剂、残留聚酰亚胺等）缓慢释放以及封装外壳形变导致真空泄漏。因器件封装真空泄漏而产生的少量稀薄气体，会使微桥结构在振动时承受更大的压力，腔体内气压越高，微桥结构承受的压力越大。实物器件在经受2(m/s~2~)2/Hz随机振动试验后，解剖观察发现微桥结构完整，无坍塌、粘连或脱落情况，桥腿没有出现明显的变形和屈曲；在经受1000g过冲击试验后，解剖观察发现微桥结构出现部分坍塌及脱落，部分微桥桥腿变形过大以致撕裂，导致结构失稳。在经受X、Y、Z三方向冲击试验后，解剖观察发现三方向的失效率分别为5.6%，6.1%，18.7%，其中Z方向的耐冲击性能弱于X、Y方向。桥腿断裂处集中在桥墩和桥腿连接处以及桥腿和桥面的连接处，脱落微桥结构与邻近微桥结构重叠，出现成片变形甚至失效。振动和冲击仿真研究结果与实物器件可靠性试验及解剖结果具有较好的一致性。研究结果表明：在2(m/s~2)~2/Hz随机振动、500g峰值加速度冲击的条件下，非晶硅微测辐射热计具有较好的动力学稳定性能，能满足器件耐受环境力学试验的可靠性要求。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 引言  12-13
  1.2 非晶硅微测辐射热计  13-17
    1.2.1 非晶硅热敏薄膜  13-15
    1.2.2 微测辐射热计的工作原理  15
    1.2.3 非晶硅微测辐射热计基本特性  15-17
  1.3 微测辐射热计的振动和冲击  17-20
    1.3.1 微桥结构振动和冲击  17-19
    1.3.2 封装器件振动特性  19-20
  1.4 论文的主要工作  20-22
    1.4.1 选题意义  20-21
    1.4.2 研究内容  21-22
第二章微测辐射热计力学基础研究  22-38
  2.1 有限元法  22-24
    2.1.1 有限元法的发展简况  22-23
    2.1.2 有限元法基本思想及步骤  23
    2.1.3 有限元法特点及应用  23-24
  2.2 微测辐射热计模型  24-27
    2.2.1 像元结构提取  24-25
    2.2.2 有限元单元模型  25-26
    2.2.3 模型及材料参数  26-27
  2.3 静力学分析  27-30
  2.4 模态分析  30-33
    2.4.1 理论基础  30-31
    2.4.2 模态仿真分析  31-33
  2.5 屈曲分析  33-36
    2.5.1 薄膜屈曲概论  33-34
    2.5.2 屈曲分析  34-36
  2.6 本章小结  36-38
第三章微测辐射热计振动和冲击性能研究  38-53
  3.1 振动仿真  38-48
    3.1.1 背景及理论基础  38-39
    3.1.2 阻尼系统及随机振动  39-43
    3.1.3 微测辐射热计简谐振动仿真  43-46
    3.1.4 微测辐射热计随机振动仿真  46-48
  3.2 冲击仿真  48-52
    3.2.1 背景及理论基础  48-49
    3.2.2 微测辐射热计冲击仿真  49-52
  3.3 本章小结  52-53
第四章微测辐射热计稀薄气体振动  53-61
  4.1 稀薄气体来源  53-55
    4.1.1 封装工艺缺陷  53-54
    4.1.2 材料泄露  54
    4.1.3 器件破损  54-55
  4.2 振动平板模型  55-56
    4.2.1 能量传递模型  55-56
    4.2.2 Christian 模型  56
  4.3 稀薄气体下微测辐射热计振动分析  56-60
    4.3.1 压膜阻尼  56-57
    4.3.2 振动气膜  57-60
  4.4 本章小结  60-61
第五章微测辐射热计实物振动冲击试验及解剖分析  61-70
  5.1 目的和条件  61-62
  5.2 随机振动试验及分析讨论  62-63
  5.3 冲击试验及分析讨论  63-69
  5.4 本章小结  69-70
第六章结论与展望  70-72
  6.1 工作总结  70-71
  6.2 展望  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-78
附录  78-82
攻读硕士学位期间取得的研究成果  82-83

非晶硅微测辐射热计振动和冲击仿真研究

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