一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法与流程

1.本发明属于微纳传感器技术领域，具体涉及一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法。


背景技术：

2.微纳传感器内部结构一般在微米甚至纳米级。其设计制造涉及多种学科和工程技术，如物理学、半导体、光学、电气工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程和生物工程。
3.封装是影响微纳传感器总生产成本的主要因素。常用的工业晶圆级真空封装工艺包括阳极键合、硅-硅键合和共晶焊料键合。对于普通的塑料密封压力传感器，包装占总生产成本的20％，而对于在恶劣环境(高压和快速温度变化)中连续工作的压力传感器，包装占总生产成本的95％。其他微纳传感器也有类似的封装成本。
4.而微纳传感器的复杂几何形状、高度多样性和微小尺寸是造成其封装成本高的原因，因此，需要对其封装气密性进行研究和气密性失效进行预测，但微纳传感器封装腔尺寸很小，无法察觉的泄露会导致封装失效。
5.因此，如何对微纳传感器的封装气密性失效时间进行预测，是本领域技术人员有待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了对微纳传感器的封装气密性失效时间进行预测，提出了一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法。
7.本发明的技术方案为：一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法，包括以下步骤：
8.s1、确定所述微纳传感器在不同时刻的漏率，并建立所述漏率和时间的函数关系；
9.s2、基于所述函数关系和所述微纳传感器的封装腔体内部体积，建立预测模型，并根据所述预测模型确定出封装腔内压强与时间的变化关系；
10.s3、基于所述变化关系和所述封装腔内压强的失效阈值对封装气密性失效时间进行预测。
11.进一步地，所述漏率和时间的函数关系具体如下式所示：
[0012][0013]
式中，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，l0为漏率初始值，t0为1小时，t为时间。
[0014]
进一步地，所述预测模型具体如下式所示：
[0015][0016]
式中，p(t)为时刻t时封装腔内压强，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，v为所述
封装腔体内部体积。
[0017]
进一步地，所述封装腔内压强与时间的变化关系具体如下式所示：
[0018][0019]
式中，p(t)为时刻t时封装腔内压强，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，v为所述封装腔体内部体积，t0为1小时，t为时间。
[0020]
进一步地，所述步骤s3具体包括以下分步骤：
[0021]
s31、确定出所述封装腔内压强的失效阈值；
[0022]
s32、基于所述预测模型和所述失效阈值确定出所述失效时间。
[0023]
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
[0024]
本发明通过确定所述微纳传感器在不同时刻的漏率，并建立所述漏率和时间的函数关系；然后基于所述函数关系和所述微纳传感器的封装腔体内部体积，建立预测模型，并根据所述预测模型确定出封装腔内压强与时间的变化关系；然后基于所述变化关系和所述封装腔压强的失效阈值对封装气密性失效时间进行预测，实现了针对微纳传感器气密性失效时间进行预测。
附图说明
[0025]
图1所示为本发明实施例提供的一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法的流程示意图；
[0026]
图2所示为预测模型的预测曲线与实验数据的对比示意图。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0028]
本技术提出了一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法，如图1所示为本技术实施例提出的一种微纳传感器封装气密性失效时间的预测方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：
[0029]
步骤s1、确定所述微纳传感器在不同时刻的漏率，并建立所述漏率和时间的函数关系。
[0030]
在本技术实施例中，微纳传感器在不同时刻的漏率可通过指定仪器获得，不同时刻的漏率如下表1所示：
[0031]
表1
[0032][0033]
在本技术实施例中，所述漏率和时间的函数关系具体如下式所示：
[0034][0035]
式中，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，l0为漏率初始值，t0为1小时，t为时间。
[0036]
步骤s2、基于所述函数关系和所述微纳传感器的封装腔体内部体积，建立预测模型，并根据所述预测模型确定出封装腔内压强与时间的变化关系。
[0037]
在本技术实施例中，所述预测模型具体如下式所示：
[0038][0039]
式中，p(t)为时刻t时封装腔内压强，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，v为所述封装腔体内部体积。
[0040]
具体的，对于分子流，流导与漏率的关系是：
[0041]
l＝cp
air
；
[0042]
式中，l为漏率，c为流导，p
air
为标准大气压。
[0043]
根据气体流动方程，封装腔内压力差为：
[0044][0045]
式中，v为所述封装腔体内部体积，q为单位时间气体泄露量，c为流导，p
out
为封装腔体外部压强，p为封装腔体内部压强，dp(t)为压强的微分，dt为时间的微分
[0046]
由于封装腔内外的压力差，外部气体会通过漏孔进入内部，内部压力变化为：
[0047][0048]
式中，p(t)为时刻t时封装腔内压强，c为流导，p
air
为标准大气压，p0为腔体内部初始压强，exp为以e为底的指数函数，v为所述封装腔体内部体积，l(t)为所述漏率和时间的函数关系。
[0049]
内部压力随时间变化的曲线在前段接近于一条直线，后段的斜率逐渐降低。对于微纳气密性封装可靠性分析来说，失效发生在前段，因此可对模型进行简化，结合上述，可得所述预测模型：
[0050][0051]
式中，p(t)为时刻t时封装腔内压强，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，v为所述封装腔体内部体积，简化模型在保证准确的情况下降低了复杂性。
[0052]
在本技术实施例中，所述封装腔内压强与时间的变化关系具体如下式所示：
[0053][0054]
式中，p(t)为时刻t时封装腔内压强，l(t)为所述漏率和时间的函数关系，v为所述封装腔体内部体积，t0为1小时，t为时间。
[0055]
通过微纳传感器封装腔内部气压与时间变化的实验数据对模型进行验证。数据来自采用表面活化键合(sab)方法对si/si进行室温键合的mems器件，如图2所示预测模型的预测曲线与实验数据的比较，可以看出模型对封装腔体内部压强的预测与实验数据较为接近。
[0056]
步骤s3、基于所述变化关系和所述封装腔内压强的失效阈值对封装气密性失效时间进行预测。
[0057]
在本技术实施例中，所述步骤s3具体包括以下分步骤：
[0058]
s31、确定出所述封装腔压强的失效阈值；
[0059]
s32、基于所述预测模型和所述失效阈值确定出所述失效时间。
[0060]
具体的，根据具体工况，确定微纳传感器封装腔内压强的失效阈值，在初始漏率l0＝2
×
10-15
pa m3/s，封装腔体体积为6.72mm3，失效阈值为500pa的情况下，微纳传感器气密性封装由于泄露引发的失效时间约为35.5年。
[0061]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。