CN116484547B - 真空封装mems陀螺漏气分析方法、系统、介质及计算机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空封装MEMS陀螺漏气分析方法、系统、介质及计算机，本申请明确了晶圆级真空封装MEMS陀螺品质因子、自由气体个数和内部气压的关系，并建立了晶圆级真空封装MEMS陀螺品质因子跟随漏气时间变化而变化的退化模型，得出品质因子的倒数和漏气时间呈指数关系的结论。利用晶圆级封装漏气理论和试验模型，可为陀螺漏气试验方案的制定以及可靠性设计提供重要的理论基础和参考依据，从而有效提高晶圆级真空封装MEMS陀螺的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及微机械陀螺技术领域，更具体地说，它涉及真空封装MEMS陀螺分析方法、系统、介质及计算机。
背景技术
提高品质因子(Q值)可以提高陀螺仪的性能，例如信噪比、分辨率、功耗和偏置不稳定性。目前已报道的高性能陀螺普遍具有十万、甚至百万以上的高Q值，这对真空封装技术提出了非常高的要求。高真空封装可有效减少陀螺移动结构的空气阻尼，从而获得高Q值。
中国发明专利(申请号为201710296071.4)提出器件级真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统，根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对陀螺参数进行分析，得到陀螺驱动轴滑膜运动下和陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式；根据两种运动下的品质因子的关系式确定得到品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；根据热力学气体扩散原理确定得到自由运动气体个数随时间的变化方程；根据上述三者之间的关系式以及自由运动气体个数随时间的变化方程确定得到陀螺品质因子的退化模型；根据退化模型拟合得到模型参数，并根据退化模型和模型参数计算得到表征MEMS陀螺品质因子退化的特征时间并输出。在该申请中明确了器件级真空封装MEMS陀螺品质因子、自由气体个数和内部气压的关系，并建立了器件级真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型，可根据器件级真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型确定模型参数。
晶圆键合技术作为半导体制造中一种高性价比、高产率的工艺，不仅可以实现可移动结构的制备，还可以实现器件的晶圆级封装。因此，随着晶圆键合技术的飞速发展，晶圆级封装已广泛应用于MEMS器件的制造。晶圆级封装通常使用阳极键合的方式，在硅-硅、硅-玻璃等材料两端施加电势差，使两者在材料界面处发生化学反应，以形成稳定的Si-O-Si结构。由于该过程不需要任何粘贴剂，故发生气体泄露是影响陀螺内部气压和品质因子的主要因素。
然而，目前尚未有关于晶圆级封装陀螺仪内部漏气模型的理论研究。由于封装腔体内气体泄漏会导致自由气体分子数量增加，从而导致气压上升和品质因子退化，最终造成陀螺性能严重下降。因此，为了提高MEMS陀螺的封装可靠性，必须对晶圆级封装的漏气模型进行研究。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供真空封装MEMS陀螺漏气分析方法、系统、介质及计算机，以克服现上述背景技术中存在的技术问题。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，包括：
S1、对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；
S2、根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；
S3、根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；
S4、根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；
S5、根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；
S6、利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间。
可选的，所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数，包括：梳齿电容的间距、梳齿电容的重叠面积、梳齿电容的重叠面积的宽度、梳齿电容的重叠面积的长度、驱动轴质量、检测轴质量、驱动固有频率、检测固有频率。
可选的，所述根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，具体为：
其中，QD为晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子，QS为晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，kb是玻尔兹曼常数(1.38×10- 23J/K)，是分子在连续两次碰撞之间所经历的平均时间；N是自由运动气体个数，V是腔体体积，T是温度，p是腔体内部气压；w是梳齿电容的重叠面积的宽度，l是梳齿电容的重叠面积的长度，d是梳齿电容的间距，S是梳齿电容的重叠面积；σ为电容梳齿的宽长比w/l决定的系数；md为驱动轴质量；ωd为驱动固有频率；ms为检测轴质量；ωs为检测固有频率。
可选的，所述根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式，具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)；
其中，t为漏气时间，Q为品质因子，p为内部气压，N为自由运动气体个数。
可选的，所述根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程，具体为：
其中，u0为外界气体密度；a2为扩散系数，t为漏气时间，lx为封装腔体长度的一半，ly为封装腔体宽度的一半，λ、β、γ均为非零常数。
可选的，所述根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型，具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)＝a-b*exp(-ct)；
其中，a，b，c为常数，t为漏气时间。
可选的，所述温度循环测试包括以下步骤：
S601、将温度循环箱设置为永久温度循环，并且将温度循环箱的温度变化范围设置为-55℃～125℃之间；
S602、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺放置在所述温度循环箱中持续一星期时间；
S603、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺从温度循环箱中取出，放在25℃的室温下静置2h后，使用振动法测试所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的品质因子并对应记录；
S604、重复步骤S602和步骤S603，对应得到若干品质因子，判断最后得到的四个连续的品质因子的变化率是否均小于3％；若否，则重复步骤S602和步骤S603；若是，则停止实验；
S604、对试验数据进行拟合，得到关于品质因子的倒数和漏气时间的曲线方程，计算出a，b，c的值，并根据a，b，c的值计算出特征时间。
晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析系统，包括：
参数检测模块：用于对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；
品质因子计算模块：用于根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；
关系式获取模块：根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；
变化方程获取模块：根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；
退化模型分析模块：根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；
特征时间计算模块：利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
一种计算机设备,包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本申请提出一种晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，明确了晶圆级真空封装MEMS陀螺品质因子、自由气体个数和内部气压的关系，并建立了晶圆级真空封装MEMS陀螺品质因子跟随漏气时间变化而变化的退化模型，得出品质因子的倒数和漏气时间呈指数关系的结论。利用晶圆级封装漏气理论和试验模型，可为陀螺漏气试验方案的制定以及可靠性设计提供重要的理论基础和参考依据，从而有效提高晶圆级真空封装MEMS陀螺的可靠性。
附图说明
图1为本发明的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法流程图；
图2为本发明的真空封装MEMS陀螺漏气分析系统结构图；
图3为本发明实施例中计算机设备的内部结构图；
图4为晶圆级真空封装陀螺示意图；
图5为封装气体泄露及气体扩散过程示意图；
图6为驱动轴滑膜运动状态的品质因数的倒数1/Qd和漏气时间t的拟合曲线；
图7为检测轴压膜运动状态的品质因数的倒数1/Qs和漏气时间t的拟合曲线。
图中：
1、参数检测模块；2、品质因子计算模块；3、关系式获取模块；4、变化方程获取模块；5、退化模型分析模块；6、特征时间计算模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析方法,如图1所示，包括：
S1、对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；在本实施例中，所述参数包括：包括：梳齿电容的间距、梳齿电容的重叠面积、梳齿电容的重叠面积的宽度、梳齿电容的重叠面积的长度、驱动轴质量、检测轴质量、驱动固有频率、检测固有频率。
在实际应用中，微机械MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。
S2、根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；在本实施例中，第一品质因子的表达式和第二品质因子的表达式分别为：
其中，QD为晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子，QS为晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，kb是玻尔兹曼常数(1.38×10- 23J/K)，是分子在连续两次碰撞之间所经历的平均时间；N是自由运动气体个数，V是腔体体积，T是温度，p是腔体内部气压；w是梳齿电容的重叠面积的宽度，l是梳齿电容的重叠面积的长度，d是梳齿电容的间距，S是梳齿电容的重叠面积；σ为电容梳齿的宽长比w/l决定的系数；md为驱动轴质量；ωd为驱动固有频率；ms为检测轴质量；ωs为检测固有频率。
具体的，所述第一品质因子和第二品质因子的表达式的推导过程，可以参考中国发明专利(申请号为：201710296071.4)中所记载的推导过程，在本申请中不再赘述。
阻尼是陀螺设计中的关键参数，通常阻尼尽量小，可提高机械灵敏度和检测分辨率。陀螺的阻尼通常包括两部分：空气阻尼和结构阻尼。由于空气阻尼远大于结构阻尼，因此本实施例中仅对前者进行分析。空气阻尼主要包括滑膜阻尼和压膜阻尼，一般来说压膜阻尼要比滑膜阻尼大。滑膜阻尼是指两个梳齿电容保持间隙不变而平行运动所引起的阻尼。滑膜阻尼分析主要有两种模型：古埃特流模型和斯托克斯流模型。压膜阻尼是指两个梳齿电容做相对垂直运动时引起的阻尼。
S3、根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；所述关系式具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)；
其中，t为漏气时间，Q为品质因子，p为内部气压，N为自由运动气体个数。也就是说，腔体内部气压和自由运动气体个数成正比，与品质因子成反比，在这里的品质因子，无论是第一品质因子还是第二品质因子，都与气压成反比，因此在后续的内容中，如果不需要再区分两个品质因子的情况下，就统称为品质因子。
S4、根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；具体为：
其中，u0为外界气体密度；a2为扩散系数，t为漏气时间，lx为封装腔体长度的一半，ly为封装腔体宽度的一半，λ、β、γ均为非零常数。
上面的晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程，可以简要表示为：N(t)＝a-b*exp(-ct)。其中，a，b，c为常数，t为漏气时间。
具体的，晶圆级真空封装陀螺示意图如图4所示，该陀螺基于阳极键合工艺加工而成。由于材料界面存在缺陷和裂纹，所以封装体内会发生气体泄露，从而导致腔体中自由气体分子数增加，最终使内部压力和品质因子发生变化。内部气体泄露及扩散过程示意图如图5所示，在室温下与外界气体达到动态平衡。扩散方向为x轴和y轴，气体沿x-z平面、y-z平面均匀分布。初始状态时，假设腔体内分子数为0，即真空状态。随着漏气时间的推移，气体分子沿着x轴和y轴向中心扩散，气体密度分布为n(x,y,t)。最终，气体扩散达到平衡状态，腔体内气体分子个数趋向于一个定值。在所述变化方程的表达式中，lx为封装腔体长度的一半，ly为封装腔体宽度的一半，也就表示，封装的长度为2lx，封装的宽度为2ly。
S5、根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)＝a-b*exp(-ct)；
其中，a，b，c为常数，t为漏气时间。可见，在一定的温度下，品质因子的倒数随漏气时间的变化呈指数关系变化。
S6、利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间。
所述特征时间的定义，为漏气过程完成了1/e时所对应的时间，品质因子衰减的特征时间为1/c。因此为了确定某一种晶圆级真空封装MEMS陀螺的a，b，c三个常量的实际数值，需要通过温度循环测试确定品质因子退化的模型参数。
具体的，所述温度循环测试的步骤如下：
S601、将温度循环箱设置为永久温度循环，并且将温度循环箱的温度变化范围设置为-55℃～125℃之间；
S602、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺放置在所述温度循环箱中持续一星期时间；
S603、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺从温度循环箱中取出，放在25℃的室温下静置2h后，使用振动法测试所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的品质因子并对应记录；
S604、重复步骤S602和步骤S603，对应得到若干品质因子，判断最后得到的四个连续的品质因子的变化率是否均小于3％；若否，则重复步骤S602和步骤S603；若是，则停止实验；
S604、对试验数据进行拟合，得到关于品质因子的倒数和漏气时间的曲线方程，计算出a，b，c的值，并计算出特征时间。
由于常温条件下的封装漏气和自然退化十分缓慢，需要几个月才进入退化的平缓期。为了减短漏气封装可靠性的设计周期，需要对晶圆级封装陀螺进行温度循环试验，以加速腔体内漏气过程，缩短气体达到动态平衡的时间。此外，温循试验可以加速材料界面裂纹的扩张，使泄漏量达到一个稳定值。当封装气体泄露进入稳态后，陀螺性能才会保持稳定。考虑到工业级MEMS陀螺的工作温度条件为-40～85℃，军用级的为-40～125℃，因此温度循环的温度范围应该在-40～125℃之间。另外，参考GJB548B-2005中1010.1温度循环方法，温度循环条件选择为-55～125℃(B级)。若陀螺在进行若干次温循后在室温下达到稳态气压，则在使用环境条件下(-40～125℃)，陀螺将不再发生气体泄露，也就是说温度一定的情况下，Q值将进入稳态。参考GJB548B-2005标准中1010.1温度循环试验方法，温循加速试验可在快速温循箱中进行。将温循箱设置为永久温循。每经过一星期的温循测试，把陀螺取出，放在25℃的室温下静置2h后，用振动法测试品质因子。反复测试数星期后，品质因子退化逐渐减小，基本进入平缓区。若连续三次测得品质因子的变化小于3％，即k_i＝ΔQ/Qi<3％，则认为Q值达到稳态，停止温循试验。此时，利用Matlab软件的cftool工具箱对试验数据进行拟合，得到关于品质因子的倒数和漏气时间的曲线方程，从而得出a，b，c的值，求出特征时间。
利用上述实验步骤，对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行自然老化测试约4个月后，品质因子退化基本进入平缓区，结果如图5和图6所示。根据拟合分析结果可见1/Qd和漏气时间t近似为指数关系，1/Qs和漏气时间t也近似为指数关系，与利用表达式推导出的退化模型分析模型一致，从而验证了理论退化模型的正确性。
根据拟合方程可知，在驱动轴滑膜运动的状态下，参数a＝1.587×10-4，参数b＝1.117×10-4，参数c＝1.705×10-4，拟合曲线方程为：
拟合曲线方程的决定系数R2＝0.97；
根据拟合方程可知，在检测轴压膜运动的状态下，参数a＝8.708×10-4，参数b＝7.679×10-4，参数c＝2.124×10-4，拟合曲线方程为
拟合曲线方程的决定系数R2＝0.97；
因此，室温下Qd的最终值1/a为6301.2：Qs的最终值1/a为1148.37。
根据特征时间的定义，可以计算出Qd和Qs的特征时间1/c分别为586.51h、530.79h。而平均退化特征时间为558.65小时。
上述晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，明确了晶圆级真空封装MEMS陀螺品质因子、自由气体个数和内部气压的关系，并建立了晶圆级真空封装MEMS陀螺品质因子跟随漏气时间变化而变化的退化模型，得出品质因子的倒数和漏气时间呈指数关系的结论。
晶圆级封装漏气理论和试验模型可为陀螺漏气试验方案的制定以及可靠性设计提供了重要的理论基础和参考依据，从而有效提高晶圆级真空封装MEMS陀螺的可靠性。
如图2所示，本发明还提供了晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析系统，包括：
参数检测模块：用于对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；
品质因子计算模块：用于根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；
关系式获取模块：根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；
变化方程获取模块：根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；
退化模型分析模块：根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；
特征时间计算模块：利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间。
关于晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析系统的具体限定可以参见上文中对于晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析方法的限定，在此不再赘述。上述晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图3所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机程序被处理器执行时以实现晶圆级真空封装MEMS陀螺漏气分析方法。
本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：包括：
S1、对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；
S2、根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；
S3、根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；
S4、根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；
S5、根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；
S6、利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间。
在一个实施例中，所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数，包括：梳齿电容的间距、梳齿电容的重叠面积、梳齿电容的重叠面积的宽度、梳齿电容的重叠面积的长度、驱动轴质量、检测轴质量、驱动固有频率、检测固有频率。
在一个实施例中，所述根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，具体为：
其中，QD为晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子，QS为晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，kb是玻尔兹曼常数(1.38×10- 23J/K)，是分子在连续两次碰撞之间所经历的平均时间；N是自由运动气体个数，V是腔体体积，T是温度，p是腔体内部气压；w是梳齿电容的重叠面积的宽度，l是梳齿电容的重叠面积的长度，d是梳齿电容的间距，S是梳齿电容的重叠面积；σ为电容梳齿的宽长比w/l决定的系数；md为驱动轴质量；ωd为驱动固有频率；ms为检测轴质量；ωs为检测固有频率。
在一个实施例中，所述根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式，具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)；
其中，t为漏气时间，Q为品质因子，p为内部气压，N为自由运动气体个数。
在一个实施例中，所述根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程，具体为：
其中，u0为外界气体密度；a2为扩散系数，t为漏气时间，lx为封装腔体长度的一半，ly为封装腔体宽度的一半，λ、β、γ均为非零常数。
在一个实施例中，所述根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型，具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)＝a-b*exp(-ct)；
其中，a，b，c为常数，t为漏气时间。
在一个实施例中，所述温度循环测试包括以下步骤：
S601、将温度循环箱设置为永久温度循环，并且将温度循环箱的温度变化范围设置为-55℃～125℃之间；
S602、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺放置在所述温度循环箱中持续一星期时间；
S603、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺从温度循环箱中取出，放在25℃的室温下静置2h后，使用振动法测试所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的品质因子并对应记录；
S604、重复步骤S602和步骤S603，对应得到若干品质因子，判断最后得到的四个连续的品质因子的变化率是否均小于3％；若否，则重复步骤S602和步骤S603；若是，则停止实验；
S604、对试验数据进行拟合，得到关于品质因子的倒数和漏气时间的曲线方程，计算出a，b，c的值，并根据a，b，c的值计算出特征时间。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，包括：
S1、对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；
S2、根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；
S3、根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；
S4、根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；
S5、根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；
S6、利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间；
2.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数，包括：梳齿电容的间距、梳齿电容的重叠面积、梳齿电容的重叠面积的宽度、梳齿电容的重叠面积的长度、驱动轴质量、检测轴质量、驱动固有频率、检测固有频率；
3.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，所述根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，具体为：
其中，QD为晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子，QS为晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子，kb是玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，是分子在连续两次碰撞之间所经历的平均时间；N是自由运动气体个数，V是腔体体积，T是温度，p是腔体内部气压；w是梳齿电容的重叠面积的宽度，l是梳齿电容的重叠面积的长度，d是梳齿电容的间距，S是梳齿电容的重叠面积；σ为电容梳齿的宽长比w/l决定的系数；md为驱动轴质量；ωd为驱动固有频率；ms为检测轴质量；ωs为检测固有频率；
4.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，所述根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式，具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)；
其中，t为漏气时间，Q为品质因子，p为内部气压，N为自由运动气体个数；
5.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，所述根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程，具体为：
其中，u0为外界气体密度；a2为扩散系数，t为漏气时间，lx为封装腔体长度的一半，ly为封装腔体宽度的一半，λ、β、γ均为非零常数；
6.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，所述根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型，具体为：
p(t)∝N(t)∝Q-1(t)＝a-b*exp(-ct)；
其中，a，b，c为常数，t为漏气时间；
7.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺漏气分析方法，其特征在于，所述温度循环测试包括以下步骤：
S601、将温度循环箱设置为永久温度循环，并且将温度循环箱的温度变化范围设置为-55℃～125℃之间；
S602、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺放置在所述温度循环箱中持续一星期时间；
S603、将所述晶圆级真空封装MEMS陀螺从温度循环箱中取出，放在25℃的室温下静置2h后，使用振动法测试所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的品质因子并对应记录；
S604、重复步骤S602和步骤S603，对应得到若干品质因子，判断最后得到的四个连续的品质因子的变化率是否均小于3％；若否，则重复步骤S602和步骤S603；若是，则停止实验；
S604、对试验数据进行拟合，得到关于品质因子的倒数和漏气时间的曲线方程，计算出a，b，c的值，并根据a，b，c的值计算出特征时间；
8.真空封装MEMS陀螺漏气分析系统，其特征在于，包括：
参数检测模块：用于对晶圆级真空封装MEMS陀螺进行检测，获取晶圆级真空封装MEMS陀螺的参数；
品质因子计算模块：用于根据热力学、流体力学、陀螺动力学原理以及所述参数，对所述晶圆级真空封装MEMS陀螺进行分析，对应得到所述晶圆级真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的第一品质因子和所述晶圆级真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的第二品质因子；
关系式获取模块：根据所述第一品质因子和第二品质因子，对应确定品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式；
变化方程获取模块：根据二维气体扩散方程，得到晶圆级真空封装MEMS陀螺内部自由运动气体个数随晶圆级真空封装MEMS陀螺的漏气时间的变化方程；
退化模型分析模块：根据所述关系式和所述变化方程，对应确定品质因子随漏气时间的变化而变化的退化模型；
特征时间计算模块：利用温度循环测试，确定所述晶圆级真空封装MEMS陀螺的模型参数，根据所述模型参数和所述退化模型，对应确定晶圆级真空封装MEMS陀螺的在漏气状态下的品质因子退化的特征时间；
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤；
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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