真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统，获取真空封装陀螺参数；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。为陀螺的试验方案提供参考依据，提高陀螺的可靠性。

Vacuum packaging MEMS gyroscope quality factor degradation analysis method and system

The present invention relates to a method and system for analysis of degradation of a vacuum packaging MEMS top quality factor, obtain the vacuum packaged gyroscope parameters; according to thermodynamics, fluid mechanics and gyro dynamics principle to analyze the relationship between the gyro parameters, gyroscope driving quality factor axis motion and gyro axis detection of synovial film under the movement obtained according to a relation between the relations; quality factors of two movement under the determination of quality factors, the number of free movement of gas, the air pressure inside the three; according to the thermodynamic principle of gas diffusion equation to determine changes in the number of free movement of gas with time; according to the variation equation of relation between the three and the number of free movement of gas with time to determine get top quality factor degradation model; according to the model parameter degradation model, and according to the degradation model and mode The characteristic time of the degradation of the MEMS gyro quality factor is calculated and the output is obtained. It can provide reference for gyro test scheme and improve the reliability of gyro.

【技术实现步骤摘要】
真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统
本专利技术涉及微机械陀螺领域，特别是涉及一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统。
技术介绍
高真空封装(高Q值)技术应用越来越广泛，是陀螺高性能技术发展的必然趋势，不管是传统的线振动陀螺、碟形陀螺、还是半球陀螺等，高真空封装都是提高其性能的核心技术。目前，美国各大高校报道的高真空封装MEMS陀螺Q值达到十万、甚至百万以上，这将对陀螺品质因子可靠性要求非常高。目前圆片级真空封装技术尚未成熟，报道的多数高性能陀螺的真空封装主要为器件级封装，通过互连、划片、粘胶贴片、平行缝焊/钎焊/激光焊接、吸气剂等工艺制作而成。真空度越高，封装可靠性就越重要，而漏气和内部材料释气是影响陀螺内部气压和品质因子的两大关键因素。通常器件级封装漏率较低，漏率基本能满足产品应用要求，但由于器件中存在基板材料、薄膜、粘胶材料等，这些材料的长时间释气会严重影响封装腔体的气压。尽管器件中有吸气剂，但也不能长期吸收释放出来的大量气体，漏气的影响远小于材料放气带来的影响。由于腔体气压的变化会极大改变品质因子，而品质因子的退化最终导致陀螺性能严重蜕变，目前尚未有关于真空封装MEMS陀螺品质因子退化的理论模型，通过传统的方法很难知道陀螺品质因子的变化情况，无法得知陀螺的性能状态，导致MEMS陀螺的可靠性低。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述问题，提供一种提高MEMS陀螺可靠性的真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统。一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，包括以下步骤：获取真空封装MEMS陀螺参数；根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对所述真空封装MEMS陀螺参数进行分析，得到真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式；根据所述真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和所述真空封装MEMS陀螺检测轴压膜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；根据所述品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式以及所述自由运动气体个数随时间的变化方程确定得到真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型；根据所述真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型拟合得到模型参数，并根据所述退化模型和所述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。一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析系统，包括：真空封装MEMS陀螺参数获取模块，用于获取真空封装MEMS陀螺参数；品质因子的关系式确定模块，用于根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对所述真空封装MEMS陀螺参数进行分析，得到真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式；关系式确定模块，用于根据所述真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和所述真空封装MEMS陀螺检测轴压膜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；变化方程确定模块，用于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；退化模型确定模块，用于根据所述品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式以及所述自由运动气体个数随时间的变化方程确定得到真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型；特征时间计算模块，用于根据所述真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型拟合得到模型参数，并根据所述退化模型和所述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。上述真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法和系统，明确了真空封装MEMS陀螺品质因子、自由气体个数和内部气压的关系，并建立了真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型，可根据真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型确定模型参数，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，可根据特征时间得到高温老化时间，进而为陀螺的老练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，从而有效提高真空封装MEMS陀螺的可靠性。附图说明图1为一实施例中真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法流程图；图2为一实施例中器件级真空封装陀螺实物图与示意图；图3为一实施例中器件级真空封装陀螺内部材料放气及气体扩散过程示意图；图4为一实施例中1/Qd和老化时间t的关系图；图5为一实施例中1/Qs和老化时间t的关系图；图6为一实施例中真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析系统结构图。具体实施方式在一个实施例中，如图1所示，一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，包括以下步骤：步骤S110：获取真空封装MEMS陀螺参数。在本实施例中，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。具体地，微机械MEMS是英文MicroElectroMechanicalsystems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。。步骤S120：根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对真空封装MEMS陀螺参数进行分析，得到真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式。在本实施例中，步骤S120具体为：其中，Qd为真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子，Qs为真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子，kb为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，d为梳齿电容的间距，N为自由运动气体个数，T为温度，A为梳齿电容的重叠面积，V为腔体体积，p为腔体内部气压，弛豫时间为分子在连续两次碰撞之间所经历的平均时间，md为驱动质量，ms为检测质量，ωd为驱动固有频率，ωs为检测固有频率，w为梳齿电容的重叠面积的宽度，l为梳齿电容的重叠面积的长度，α为梳齿电容的重叠面积的宽长比w/l决定的系数。具体地，MEMS陀螺两个模态的简化动力学方程为：其中，驱动模态力为Fd＝F0sin(ωt)，检测模态的力为Fs＝-2mpΩv，md为驱动模态的质量，cd为驱动模态的阻尼力系数，kd为驱动模态的刚度，ms为检测模态的质量，cs为检测模态的阻尼力系数，ks为检测模态的刚度，mp为复合质量。x为驱动模态的位移，y为检测模态的位移，v为驱动速度，-Ω为角速度。定义为驱动模态的固有角频率，检测模态的固有角频率，为驱动模态的阻尼比，为检测模态的阻尼比，为驱动模态的品质因子，为检测模态的品质因子。具体地，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：古埃特流模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：获取真空封装MEMS陀螺参数；根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对所述真空封装MEMS陀螺参数进行分析，得到真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式；根据所述真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和所述真空封装MEMS陀螺检测轴压膜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；根据所述品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式以及所述自由运动气体个数随时间的变化方程确定得到真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型；根据所述真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型拟合得到模型参数，并根据所述退化模型和所述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。

【技术特征摘要】
1.一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：获取真空封装MEMS陀螺参数；根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对所述真空封装MEMS陀螺参数进行分析，得到真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式；根据所述真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和所述真空封装MEMS陀螺检测轴压膜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；根据所述品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式以及所述自由运动气体个数随时间的变化方程确定得到真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型；根据所述真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型拟合得到模型参数，并根据所述退化模型和所述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。2.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，其特征在于，所述参数包括梳齿电容的间距、梳齿电容的重叠面积、所述梳齿电容的重叠面积的宽度、所述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；所述根据热力学、流体力学和陀螺动力学原理对所述真空封装MEMS陀螺参数进行分析，得到真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子的关系式，和真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子的关系式，具体为:其中，Qd为真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子，Qs为真空封装MEMS陀螺检测轴压膜运动下的品质因子，kb为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，d为梳齿电容的间距，N为自由运动气体个数，T为温度，A为梳齿电容的重叠面积，V为腔体体积，p为腔体内部气压，弛豫时间为分子在连续两次碰撞之间所经历的平均时间，md为驱动质量，ms为检测质量，ωd为驱动固有频率，ωs为检测固有频率，w为梳齿电容的重叠面积的宽度，l为梳齿电容的重叠面积的长度，α为梳齿电容的重叠面积的宽长比w/l决定的系数。3.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，其特征在于，所述根据所述真空封装MEMS陀螺驱动轴滑膜运动下的品质因子和所述真空封装MEMS陀螺检测轴压膜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，具体为：其中，Q为品质因子，p为内部气压，t为时间，N为自由运动气体个数。4.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，其特征在于，所述根据热力学气体扩散方程，确定得到自由运动气体个数随时间的变化方程，具体为：其中，t为时间，D为扩散系数，lz为MEMS陀螺的管壳沿z方向的扩散长度。5.根据权利要求1所述的真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析方法，其特征在于，所述根据所述品质因子、自由运动气体个数、内部气压三者之间的关系式以及所述自由运动气体个数随时间的变化方程确定得到真空封装MEMS陀螺品质因子的退化模型，具体为：其中，a，b，c为常数，t为时间。6.一种真空封装MEMS陀螺品质因子退化分析系统，其特征在于，包括：真空封装MEMS陀螺参数获取模块，用于获取真空封...

【专利技术属性】
技术研发人员：何春华，谷专元，黄钦文，林晓玲，
申请(专利权)人：中国电子产品可靠性与环境试验研究所，
类型：发明
国别省市：广东,44