MEMS陀螺在片自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

孫天玲 胥超 趙陽(yáng) 付興中 楊志

摘要：為了快速評(píng)估出微機(jī)械陀螺的振動(dòng)性能參數(shù)，結(jié)合ASIC探針卡，NI數(shù)據(jù)采集卡，半自動(dòng)探針臺(tái)和軟件實(shí)現(xiàn)了圓片級(jí)自動(dòng)測(cè)試，判斷出陀螺是否能正常振蕩。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該圓片級(jí)在片自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能準(zhǔn)確的測(cè)量出芯片的振動(dòng)性能，快速準(zhǔn)確的反映出工藝能力，且實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)挑選出不同等級(jí)性能的陀螺芯片，對(duì)陀螺的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工具有重要的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：微機(jī)械陀螺;在片測(cè)試系統(tǒng);數(shù)字采集卡

中圖分類號(hào)：TP274.2??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）微電子機(jī)械系統(tǒng)或者微機(jī)電系統(tǒng)。完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通信接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。

微機(jī)械陀螺由于其體積小，重量輕，功耗低，抗過(guò)載能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性好、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)^[1]，它在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、行駛穩(wěn)定系統(tǒng)、攝像機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)、飛機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)、以及無(wú)人機(jī)、軍事領(lǐng)域均有廣泛的前景^[2]。

陀螺芯片制作的流程比較長(zhǎng)，精度要求高，工藝的誤差等等存在一系列問(wèn)題，目前大部分的在片測(cè)試系統(tǒng)可用于測(cè)量諧振頻率、Q值、結(jié)構(gòu)電容等靜態(tài)相關(guān)參數(shù)，但是僅僅依靠這些靜態(tài)參數(shù)，很難有效地評(píng)估陀螺芯片真正的動(dòng)態(tài)性能^[3]，傳統(tǒng)篩選方法采用后道裝配成模塊以后進(jìn)行測(cè)試和記錄數(shù)據(jù)，測(cè)試周期長(zhǎng)，且引入外來(lái)裝配和電路板的影響，無(wú)法直觀的反映工藝能力，對(duì)前道工藝線來(lái)說(shuō)很難有效地提升工藝加工能力，不利于工藝的進(jìn)步，且無(wú)法滿足大批量產(chǎn)品的供貨要求，因此，能夠在片圓片級(jí)評(píng)估陀螺關(guān)鍵動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)參數(shù)成為陀螺生產(chǎn)加工過(guò)程中的一項(xiàng)迫切需要。

本文正是基于此開(kāi)展研究，通過(guò)ASIC電路探卡，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)圓片在片自動(dòng)測(cè)試。文獻(xiàn)[4]對(duì)微機(jī)械陀螺的測(cè)試與標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的原理性的介紹與分析，為陀螺的性能測(cè)試方法提供了較好的參考。本文在南理工老師的幫助下，利用LabVIEW的處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試出陀螺的動(dòng)態(tài)振動(dòng)性能，直觀的反映出芯片的正交耦合。

1 測(cè)試系統(tǒng)的組成

測(cè)試系統(tǒng)由探針臺(tái)、AISC探卡，NI USB-xxxx數(shù)據(jù)采集卡、控制電腦四部分組成。在測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)Labview應(yīng)用軟件的程序?qū)ο到y(tǒng)各組成部分進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換，計(jì)算陀螺的閉環(huán)參數(shù)，具有較高的精確度，提高了測(cè)試效率。

1.1 硬件部分

微機(jī)械陀螺的測(cè)試系統(tǒng)框圖主要包括半自動(dòng)探針臺(tái)、NI數(shù)據(jù)采集卡、自制的ASIC探卡和測(cè)試軟件。其中探針臺(tái)實(shí)現(xiàn)圓片級(jí)自動(dòng)測(cè)試功能，ASIC探卡實(shí)現(xiàn)陀螺的閉環(huán)穩(wěn)幅振蕩及陀螺的檢測(cè)信號(hào)放大;經(jīng)接口輸入至NI采集卡，通過(guò)Labview程序完成參數(shù)提取。

1.2 測(cè)試儀器及軟件平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集卡采用NI USB類的數(shù)據(jù)采集卡，4模擬輸入通道，24位A/D分辨率，可使模擬輸出AO和模擬輸入AI通道獲得良好的信噪比。

半自動(dòng)探針臺(tái)：實(shí)現(xiàn)圓片自動(dòng)測(cè)試map圖。

電源表可提供+/-25V電壓，能夠滿足測(cè)試時(shí)電壓需求;

測(cè)試軟件采用Labview程序作為軟件基礎(chǔ)。利用Labview中提供的幅度測(cè)量、頻率測(cè)量及相位測(cè)量模塊提取我們所需的參數(shù)，反饋到測(cè)試軟件中，實(shí)現(xiàn)圓片自動(dòng)測(cè)試。如圖1所示;

1.3 測(cè)試流程

測(cè)試時(shí)，外接一個(gè)電源，探卡探針接觸圓片測(cè)試PAD，經(jīng)NI采集卡量化后輸入至軟件處理程序，利用 Labview軟件提供的幅度測(cè)量、頻率測(cè)量及相位測(cè)量模塊提取參數(shù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)圓片在片自動(dòng)測(cè)試。

1.4測(cè)試參數(shù)及存儲(chǔ)

如圖2所示：測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包含驅(qū)動(dòng)軸、檢測(cè)軸振動(dòng)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)軸的諧振頻率fd、Q值，相位差ΔΦ，正交誤差與同相誤差信息，連同圓片信息和測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)按行在指定EXCEL中存儲(chǔ)，最后生成匯總文件，如表1所示。

2 測(cè)試結(jié)果

將某款MEMS 陀螺進(jìn)行在片測(cè)試的正交耦合與傳統(tǒng)劃片后再裝配的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表2為對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)。可以看出陀螺在片測(cè)試的耦合誤差、相位差與裝配后測(cè)試的耦合誤差、相位差趨勢(shì)上是一致的，驗(yàn)證了該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可行性和有效性，根據(jù)在片測(cè)試結(jié)果，能夠快速的反映出陀螺設(shè)計(jì)和工藝能力，對(duì)陀螺的性能進(jìn)行分等級(jí)評(píng)估。

3 結(jié)論

MEMS陀螺在片測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出芯片的振動(dòng)性能，判斷出陀螺是否能正常振蕩，節(jié)省了后道裝配時(shí)間周期，減少外來(lái)因素影響，直接篩選出不同等級(jí)耦合性能指標(biāo)的芯片，節(jié)省了后道的管殼和ASIC電路，提升了后道的成品率，已應(yīng)用與實(shí)際芯片篩選中。根據(jù)在片測(cè)試數(shù)據(jù)，極大地方便了工藝監(jiān)測(cè)和問(wèn)題分析。

參考文獻(xiàn)

[1]施芹.提高硅微機(jī)械陀螺儀性能若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

[2]YazdiN， Ayazi F， Najafi K.Micromachined Inertial Sensors[J].Prec of the IEEE， 1998， 86（8）：1640-1659.

[3]Song Cimoo. CommercialVision of Silicon Based Inertial Sensors[C]//Digest ofTechnicalPapers ofThe 9thInternationalConfer-ence on Solid State Sensors and Actuators， Transducers97，Chi-cage，1997：839-84.

[4]楊金顯，袁贛南，徐良臣.微機(jī)械陀螺測(cè)試與標(biāo)定技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（5）： 2264-2267.

收稿日期：2020-03-09

作者簡(jiǎn)介：孫天玲（1985—），女，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，工程師，研究方向：慣性/射頻元器件的測(cè)試和質(zhì)量提升。

Development of Automatic Test System for MEMS Gyroscope On Wafer Test System

SUN Tian-ling， XU Chao， ZHAO Yang， FU Xing-zhong，YANG Zhi

（The 13^thInstitute， CETC， Shijiazhuang Hebei 050051）

Abstract：In order to evaluate the vibration performance parameters of MEMS gyroscopequickly，combining ASICelectrocircuit probe card， Ni data acquisition card， the probe station platform and and software，the automatic test system on wafer level is realized to determine whether the gyroscope can oscillate normally. The experimental results show that the wafer-level on-chip antomatic test system can accurately measure the vibration performance of the chip， quickly and accurately reflect the process capability， and realize the selection of gyro chips with different levels of performance at the wafer level， which plays an important role in the design and production of gyroscope.

Keywords： MEMS gyroscope;on wafer test system;data acquisition card