徐國平，王 甫，喬 偉，周建國

（中國兵器工業(yè)214研究所，蘇州215163）

MEMS慣性器件工程化測試體系研究

徐國平，王 甫，喬 偉，周建國

（中國兵器工業(yè)214研究所，蘇州215163）

由于低成本和高可靠性的優(yōu)勢，MEMS慣性器件被廣泛用于軍事、汽車、消費類電子等領(lǐng)域。但是國內(nèi)目前無法實現(xiàn)工程化和批量化生產(chǎn)，國產(chǎn)MEMS慣性器件的市場占有率增速緩慢。分析了制約國產(chǎn)MEMS慣性器件工程化的瓶頸，設(shè)計了一套用于批量化生產(chǎn)的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，具有自動化和高效率的優(yōu)勢。該系統(tǒng)能有效降低生產(chǎn)成本，加速解決MEMS慣性器件工程化問題。

微機電系統(tǒng)；量產(chǎn)；自動化；系統(tǒng)辨識；測試系統(tǒng)

0 引言

微機電系統(tǒng)（MEMS）是指采用微加工工藝制造技術(shù)將微傳感器、微執(zhí)行器、信號控制處理電路等制造在一塊或多塊芯片上的微型集成系統(tǒng)，微機電系統(tǒng)的特征尺寸在微米到毫米量級。微機電器件具有微型化、集成化、智能化、成本低、質(zhì)量小、體積小、功耗低、性能高、可靠性好、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點［1-2］。

目前，常見的慣性器件主要包括陀螺儀和加速度計［3］。航空飛行器中的慣性導航、制導模塊主要采用的是光纖陀螺、激光陀螺和石英加速度計等，其體積大、質(zhì)量大、功耗高，難以微小型化和低成本批量化加工。而硅材料具有極好的機械特性，抗大沖擊能力強，借助傳統(tǒng)IC加工工藝，使得基于硅材料的硅微機械慣性器件有易于加工、成本低、可量產(chǎn)的特點，這也是MEMS慣性器件飛速發(fā)展的主要原因。

伴隨著微慣性器件理論研究的不斷深入，微加工工藝水平的不斷提升，硅微機械慣性器件的性能得以飛速發(fā)展，目前低精度的商用MEMS慣性器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類民用領(lǐng)域。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，其主要應(yīng)用于先進的自動安全系統(tǒng)、高性能的導航系統(tǒng)、航行穩(wěn)定性、翻滾的檢測和預防以及安全氣囊和制動系統(tǒng)。在消費電子產(chǎn)品領(lǐng)域，主要應(yīng)用于手機、平板電腦、數(shù)碼相機和攝影機的圖像穩(wěn)定、虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品以及計算機游戲、電子玩具［3-4］。

軍事領(lǐng)域方面，MEMS慣性器件主要運用于彈藥的慣性制導、飛行器的導航和姿態(tài)控制、平臺穩(wěn)定、便攜式單兵導航等。因為硅微機械陀螺相比其他陀螺具有抗沖擊能力強、體積小、質(zhì)量小、功耗低、成本低等優(yōu)勢，使得原本采用傳統(tǒng)慣性傳感器無法實現(xiàn)的武器裝備成為可能［5］。

從軍民市場的廣泛需求考量，推動MEMS慣性器件的產(chǎn)業(yè)化刻不容緩。低成本與量產(chǎn)化是MEMS慣性器件相較與其他形式慣性器件最大的優(yōu)勢，同時也是MEMS慣性系統(tǒng)直接面臨的最大挑戰(zhàn)。只有做到了低成本和可量產(chǎn)，才能最大限度地發(fā)揮MEMS慣性器件的優(yōu)勢。然而要做到這兩點，最關(guān)鍵的就是擁有高效率和完備的測試能力。完備的測試能暴露設(shè)計與工藝缺陷，提高產(chǎn)品可靠性，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，高效率、批量化的測試是實現(xiàn)量產(chǎn)的最基礎(chǔ)要素。國內(nèi)外許多生產(chǎn)MEMS慣性器件的廠商多數(shù)由于不具有完備高效的自動化測試能力，遲遲不能推出產(chǎn)品，從而止步不前。

因此，針對微機電慣性系統(tǒng)規(guī)?；a(chǎn)帶來的測試成本居高不下問題，開展微機電產(chǎn)慣性產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)測試技術(shù)研究，意義深遠且勢在必行。

1 MEMS慣性產(chǎn)品測試體系

一套完備的、高效率的、適于工程化的MEMS慣性產(chǎn)品測試體系應(yīng)分為3個部分：

1）初期測試（晶圓級測試）；

2）中期測試（組裝、封裝后測試）；

3）末期測試（產(chǎn)品性能測試）。

現(xiàn)在，國內(nèi)MEMS慣性廠家主要存在的問題是：1）初期測試能力較弱，甚至沒有初期測試，導致了成品率低，直接增加生產(chǎn)成本；2）末期測試不能實現(xiàn)并行、同步的大批量測試，測試成本過高，效率低下。建立一套完備的、高效率的MEMS慣性器件測試系統(tǒng)，形成一套測試體系是實現(xiàn)MEMS慣性器件工程化的重要任務(wù)之一，以此為出發(fā)點需要在以下方面深入研究：1）MEMS慣性器件晶圓級測試新方法；2）MEMS慣性器件性能測試自動化與批量化；3）MEMS慣性器件測試成本優(yōu)化。具體面臨的問題如下：

1）如何擴大晶圓級測試廣度和精度，使MEMS慣性器件初期篩選成為殘次品的第一道關(guān)卡，以期極大地提高成品率。

2）如何在初期測試中即完成產(chǎn)品功能測試，省去中期測試所花費的時間與人力成本。

3）如何實現(xiàn)末期性能測試的并行化、自動化、無人值守化。

4）如何利用末期測試的數(shù)據(jù)，對某些低性能產(chǎn)品進行補償，提高成品率。

微機電慣性產(chǎn)品在生產(chǎn)的每一環(huán)節(jié)都需進行測試，測試的目地是篩出每一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不合格品。測試貫穿了MEMS慣性產(chǎn)品生產(chǎn)的始終，這些測試往往環(huán)環(huán)相扣，并且后級測試環(huán)節(jié)時在很大程度上受到前級環(huán)節(jié)的效率影響，生產(chǎn)及測試流程如下：

1）晶圓級測試；

2）封裝測試；

3）功能測試；

4）性能測試；

5）產(chǎn)品性能提升與質(zhì)檢。

晶圓級測試環(huán)節(jié)完成了MEMS敏感結(jié)構(gòu)在劃片前的最初篩選，主要對絕緣電阻、靜態(tài)電容、模態(tài)等基礎(chǔ)物理量進行測試。根據(jù)設(shè)計要求，從中剔除工藝誤差等因素造成的不合格產(chǎn)品，為后期測試減輕負擔；功能測試環(huán)節(jié)完成了MEMS產(chǎn)品初步檢測，剔除因組裝、鍵合、封裝等過程非理想因素造成的不合格產(chǎn)品，減輕后續(xù)測試負擔；性能測試環(huán)節(jié)是產(chǎn)品出廠前的性能評估過程，耗時最長，測試指標繁多，該環(huán)節(jié)也是整個MEMS慣性產(chǎn)品生產(chǎn)過程中占總成本比重較大的部分，此部分的測試效率至關(guān)重要；產(chǎn)品分類環(huán)節(jié)將通過性能測試的產(chǎn)品進行分類，例如可分為高性能、中等性能、一般性能等級別，同時利用性能測試環(huán)節(jié)積累的數(shù)據(jù)，對部分產(chǎn)品進行性能補償，提高產(chǎn)品合格率，進一步降低生產(chǎn)成本。

通過以上分析，可以清楚地認識到所有環(huán)節(jié)都是緊密結(jié)合的，上一測試環(huán)節(jié)效率的提升，能夠以倍數(shù)關(guān)系提升后續(xù)的測試效率。因此以該效率關(guān)系為基礎(chǔ)，擬從以下方面進行研究，以期提升測試效率，降低測試成本：

1）提高晶圓級測試精度，增強對于不合格產(chǎn)品的辨識度。

2）提升功能測試信息量，通過簡單的功能測試，驗證組封裝的工藝精度，篩查該環(huán)節(jié)產(chǎn)生的瑕疵品，對產(chǎn)品做初步分類。

3）利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品性能測試的全自動化，全過程無人值守，最終生成詳實的性能測試報表。

4）優(yōu)化性能補償技術(shù)，進一步提高產(chǎn)品性能，并對最終產(chǎn)品進行分類。

2 測試技術(shù)分析

2.1 基于微機械系統(tǒng)辨識的晶圓級測試技術(shù)

傳統(tǒng)的晶圓級測試項目主要包含：絕緣電阻、靜態(tài)電容、模態(tài)諧振頻率、模態(tài)Q值等。電容式MEMS陀螺儀或加速度計絕緣電阻和靜態(tài)電容主要通過多用表或者專用表進行測試［6-7］，如諧振頻率通過正弦波掃頻的辦法獲得等。傳統(tǒng)的測試方法存在如下缺點：

1）參數(shù)測試獨立，相互剝離，而MEMS慣性器件作為一個系統(tǒng)，參數(shù)之間是相互依賴和影響的，獨立的測試無法表征實際系統(tǒng)真實狀態(tài)。

2）測試速度慢，多項目需要逐一測試。

3）某些參數(shù)的測試精度不高，與被測件真值出入較大。

本文采用基于在線系統(tǒng)辨識的方法，在MEMS慣性器件晶圓級測試環(huán)節(jié)對主要參數(shù)進行測試。所謂模型就是將系統(tǒng)的本質(zhì)部分信息簡縮成有用的描述形式，是系統(tǒng)行為特性的一種客觀寫照，而器件的主要參數(shù)包含在系統(tǒng)模型中。

系統(tǒng)辨識是一種試驗方法，通過測量MEMS敏感結(jié)構(gòu)在輸入作用下的輸出響應(yīng)，經(jīng)過必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學計算，估計出系統(tǒng)的數(shù)學模型、模型的精度、系統(tǒng)噪聲等［8-10］。通過晶圓級的MEMS結(jié)構(gòu)系統(tǒng)辨識，可以一次性精確地得到模態(tài)的諧振頻率、環(huán)路的Q值、模態(tài)頻率差、機械增益、系統(tǒng)噪聲等關(guān)鍵參數(shù)。其基本原理如圖1所示。

圖1 MEMS系統(tǒng)辨識基本原理Fig.1 Schematic of MEMS system identification

2.2 基于晶圓級構(gòu)架體系的功能預測評價技術(shù)

采用新的晶圓級測試固然可以得到更多的器件基礎(chǔ)物理參數(shù)，并且參數(shù)的準確性更高。然而在組封裝之前依然存在有功能問題的MEMS敏感結(jié)構(gòu)，若讓這些本身就不能實現(xiàn)功能的敏感結(jié)構(gòu)進入組封裝環(huán)節(jié)，必將造成極大的浪費，直接導致成本的增加。如果在晶圓級就進行器件功能測試，將使這一問題迎刃而解。

因此，本文擬將專用的信號調(diào)理電路引入晶圓級測試，在MEMS敏感結(jié)構(gòu)劃片之前，實現(xiàn)功能的測試。如 MEMS加速度計輸出加速度值、MEMS陀螺儀輸出角速度或者角度值，通過這一手段，就能分辨出依靠物理參數(shù)的初步篩選所不能分辨出的殘次品，極大地降低后續(xù)生產(chǎn)加工測試成本。

2.3 微機電慣性器件全自動化測試評價技術(shù)

微機電慣性器件測試包括MEMS陀螺儀、MEMS加速度計的測試，測試項目包括了靜態(tài)特性測試、溫度特性測試、非線性度測試、動態(tài)性能測試等項目，測試項目中僅僅器件溫度特性測試以及后期補償驗證耗費了大量人力、物力、時間等成本。傳統(tǒng)的慣性器件測試方法無法滿足MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，所以采用全自動化、規(guī)?；臏y試技術(shù)是大勢所趨［8-9］。

本文采用智能規(guī)?；芍厮軘?shù)據(jù)采集技術(shù)實現(xiàn)慣性器件的規(guī)模化測試，使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及多設(shè)備實時控制技術(shù)實現(xiàn)測試過程全自動化，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

微機電慣性系統(tǒng)全自動化測試系統(tǒng)硬件模塊分為4個部分。第一部分為負責控制與數(shù)據(jù)采集、存儲等功能；第二部分為環(huán)境仿真與模擬設(shè)備，提供器件性能測試所需的各個環(huán)境條件，模擬真實使用環(huán)境；第三部分為器件與數(shù)據(jù)采集，采用智能規(guī)?；芍厮軘?shù)據(jù)采集技術(shù)，針對不同通信方式進行可配置、規(guī)?；瘮?shù)據(jù)采集；第四部分為狀態(tài)監(jiān)控模塊，對測試過程中的環(huán)境狀態(tài)、測試條件、測試安全性進行實時監(jiān)控。

圖2 MEMS慣性系統(tǒng)全自動化測試硬件框架圖Fig.2 Hardware schematic of MEMS automatic testing system

微機電慣性器件全自動化測試系統(tǒng)采用測試方案可配置化、測試流程實時監(jiān)測、控制模塊化與數(shù)據(jù)處理生成報告，整體軟件框架如圖3所示。

圖3 微機電慣性系統(tǒng)全自動化測試系統(tǒng)軟件框架Fig.3 Software schematic of MEMS automatic testing system

測試方案運行控制模塊根據(jù)測試方案配置文件的設(shè)置控制整個程序的運行流程，進行各個功能模塊的分配運行。本模塊中包含電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、分度臺模塊、轉(zhuǎn)臺模塊、離心機模塊、溫箱模塊、定時模塊與錯誤處理模塊，測試方案運行控制模塊與各個子模塊進行通信以控制各個子模塊的運行。其中，錯誤處理模塊從系統(tǒng)監(jiān)控部分讀取錯誤信息后進行分析、處理與做出相應(yīng)處理措施，使整個系統(tǒng)更加安全，真正意義上實現(xiàn)全自動無人值守同時各個模塊包含系統(tǒng)運行所需的各個子模塊，整體模塊框架如圖4所示。

圖4 測試方案運行控制模塊整體框架圖Fig.4 Schematic of testing solution

測試系統(tǒng)運行實時監(jiān)測與信息發(fā)送模塊負責系統(tǒng)運行時各個設(shè)備與環(huán)境的監(jiān)測與信息發(fā)送，狀態(tài)實時監(jiān)測包括設(shè)備自身具有的PID控制采集的設(shè)備實時信息以及各個傳感器采集的環(huán)境信息對整個系統(tǒng)運行環(huán)境進行監(jiān)控，系統(tǒng)運行過程中如有器件、電路發(fā)生損壞信息將實時反饋至控制模塊進行斷電處理。

數(shù)據(jù)處理與生成報告模塊負責針對不同測試項目進行相應(yīng)處理并生成報告，數(shù)據(jù)處理與生成報告模塊框圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理與生成報告模塊框圖Fig.5 Schematic of data processing and reporting module

3 結(jié)論

測試作為MEMS慣性器件工程化過程中最重要的環(huán)節(jié)，是國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家所共同面臨的問題。本文從工程化的角度分析了影響工程化測試最關(guān)鍵的幾個問題，并提出了一套完整的面向MEMS慣性器件工程化的測試體系。該體系使得晶圓級測試手段具有更高的可信度和精度，在晶圓級實現(xiàn)功能性的測試，減少浪費，極大地降低了成本。此外，還使用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)與多設(shè)備實時控制技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)了微慣性器件性能測試全自動化無人值守，測試過程實時遠程監(jiān)控，測試狀態(tài)信息記錄可查，在線自動化數(shù)據(jù)補償與驗證，極大地提高了工程化階段器件的測試效率。

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Research of Mass Production Testing System for MEMS Inertial Component

XU Guo-ping，WANG Fu，QIAO Wei，ZHOU Jian-guo
（The 214thResearch Institute CNIGC，Suzhou 215163）

MEMS inertial component is widely used in the fields of military，automotive industry and consumer electronics，due to the advantages of low cost and high reliability.However，the growth of market share of domestically produced MEMS is restricted by the mass production ability of domestic manufacturers.By rooting the reasons limit the mass production，this paper introduces an automatic testing system which can be use in the mass production of MEMS inertial component，and is proved useful to lower production costs.Software and hardware schematics are described in the paper.An advanced technology called system identification is used to enhancing testing ability in the system.

MEMS；mass production；automatic；system identification；testing system

U666.1

A

1674-5558（2017）05-01450

10.3969 /j.issn.1674-5558.2017.06.012

2017-08-02

徐國平，男，本科，半導體器件與物理專業(yè)，高級工程師，研究方向為微電子技術(shù)。