CN102830251B - 晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，其包括电荷放大单元、检波电路单元、低通滤波单元、PID控制单元、求和放大单元、正反向两路放大器。电荷放大单元通过探针卡与单支点电容式加速度计相连接。检波电路单元与电荷放大单元相连接。低通滤波单元与电荷放大单元相连接。PID控制单元与低通滤波单元相连接。求和放大单元与PID控制单元相连接，输出端与低频频谱分析仪相连接。正反向两路放大器与求和放大单元相连接，两个输出端分别与单支点电容式加速度计的支点两侧的极板相连接。本发明快捷便利，只要变动电路中的参数即可实现对单支点电容式加速度计的性能参数的调节和评估，可靠性高，适应生产和工程化过程中的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对晶圆级的单支点电容式加速度计的性能参数进行在线评估和调试的装置。
背景技术
针对单支点电容式加速度计的性能参数在线评估，晶圆级的测试对该类型的加速度计的性能参数检测以及评估具有重要意义，是进行工程化批量生产的重要组成部分。目前国内外已有器件级的性能参数调试方法，但并非针对晶圆级。申请号为WO00/55652，名称为《Calibration of sensors》的专利申请公开了对多轴向传感器各个敏感轴灵敏度的校准，将校准参数存储在EEPROM中，但该方法未实现增益以及温度等特性的在线调整。国内一篇名为《ACCELEROMETER AND METHOD FOR ERROR COMPENSATION》的文献中描述的是通过非易失性存储器实现对三轴加速度计的错误补偿，实现了偏置的补偿和温度补偿，但没有实现对增益的可编程功能。
上述的加速度计的在线校准和评估方法，首先都未能实现增益特性的在线校准和设置；其次都是针对器件级的评估，未实现对MEMS晶圆级的测试评估；再次传统的晶圆级性能参数调试和评估方法在设计时就必须将参数固定，其手段较为机械，未能实现在线进行调试，不具备较强的灵活性。因此。发明一种高可靠性、通用性较强、灵活性较高的性能参数在线评估装置显得十分重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种在线实现对晶圆级单支点电容式加速度计进行谐振频率、机械带宽、偏置、灵敏度等关键参数的调试和在线评估的装置，其在MEMS传感器晶圆级测试的过程中，具有重要的指导和评估作用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，用于对晶圆级的单支点电容式加速度计的性能参数进行在线评估和调试，其包括
电荷放大单元，所述的电荷放大单元通过探针卡与所述的单支点电容式加速度计相连接，所述的电荷放大单元将所述的单支点电容式加速度计输出的电容信号转换为电荷信号；
检波电路单元，所述的检波电路单元与所述的电荷放大单元的输出端相连接，所述的检波电路单元对所述的电荷放大单元所输出的电荷信号进行调制解调；
低通滤波单元，所述的低通滤波单元与所述的电荷放大单元的输出端相连接，所述的低通滤波单元将经过调制解调的电荷信号进一步放大并滤除载波信号，输出直流信号，所述的低通滤波单元的输出即为开环输出；
PID控制单元，所述的PID控制单元与所述的低通滤波单元的输出端相连接，所述的PID控制单元将开环输出的信号进行PID控制；
求和放大单元，所述的求和放大单元与所述的PID控制单元的输出端相连接，所述的求和放大单元对所述的PID控制单元的输出信号进行求和放大，所述的求和放大单元的输出即为闭环输出并与低频频谱分析仪相连接；
正反向两路放大器，所述的正反向两路放大器的输入端与所述的求和放大单元的输出端相连接，所述的正反向两路放大器的两个输出端分别与所述的单支点电容式加速度计的支点两侧的极板相连接。
所述的单支点电容式加速度计的灵敏度=所述的闭环输出信号/输入的加速度量，其中，所述的输入的加速度量指由所述的单支点电容式加速度计所得到的加速度的量值。
在所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置的闭环输出端加入正弦波信号，所述的正弦波信号经所述的正反向两路放大器后输出两路幅度相同、相位相反的正弦波信号并加载到所述的单支点电容式加速度计的支点两侧的两个极板上；将所述的正弦波信号的频率由低到高进行扫描并观测所述的闭环输出信号，直至所述的闭环输出信号的幅度衰减至-3db时所述的正弦波信号所对应的频率即为所述的单支点电容式加速度计的机械带宽。
加入所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置的闭环输出端的正弦波信号的峰值为1V，初始频率为10Hz，偏置为2.5V，且所述的正弦波信号的频率由10Hz至3000Hz进行扫描。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、该晶圆级在线评估装置快捷便利，只要通过变动电路中的可变电容和可变电阻即可实现对谐振频率、机械带宽、偏置、灵敏度等关键性能参数的调节和评估；
2、该在线评估装置采用开环或闭环的双路控制，通过电路上的设置以选择所采用的输出方式，使得电路的可靠性得到提高，可根据用户需求快速、有效的对各项关键参数进行测试与评估，提高了整个评估测试系统的实用性和批量化生产的便捷性；
3、该在线评估装置增加了MEMS器件晶圆级测试过程中的灵活性，使得其可以适应批量化生产和工程化过程中的需求。
附图说明
附图1为本发明的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置的原理框图。
以上附图中，1、单支点电容式加速度计；2、电荷放大单元；3、检波电路单元；4、低通滤波单元；5、PID控制单元；6、求和放大单元；7、正反向两路放大器；8、低频频谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：参见附图1所示。
一种晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，用于对晶圆级的单支点电容式加速度计1的性能参数进行在线评估和调试。其包括电荷放大单元2、检波电路单元3、低通滤波单元4、PID控制单元5、求和放大单元6、正反向两路放大器7。
电荷放大单元2通过探针卡与单支点电容式加速度计1相连接。检波电路单元3与电荷放大单元2的输出端相连接。低通滤波单元4与电荷放大单元2的输出端相连接。PID控制单元5与低通滤波单元4的输出端相连接。求和放大单元6与PID控制单元5的输出端相连接，其输出端与低频频谱分析仪8相连接。正反向两路放大器7的输入端与求和放大单元6的输出端相连接，两个输出端分别与单支点电容式加速度计1的支点两侧的极板相连接。
进行测试时，通过专用探针卡实现电荷放大单元2与单支点电容式加速度计1的连接，该电路检测方法如下：电荷放大单元2通过对微弱信号的检测，将单支点电容式加速度计1输出的电容信号转换为电荷信号。同时检波电路单元3对电荷放大单元2所输出的电荷信号进行调制解调。经过调制解调的电荷信号送入低通滤波单元4进一步放大和滤波，以滤除载波信号，得到与输入相对应的直流信号，该低通滤波单元4的输出即为开环输出。开环输出的信号进一步通过PID控制单元5将进行PID控制（比例放大、微分、积分），并在求和放大单元6进行求和放大，在求和放大单元6的输出端得到闭环输出信号Vout。闭环输出信号比开环输出得到的直流信号噪声更小、线性度更好。
此外，单支点电容式加速度计1的灵敏度=闭环输出信号Vout/输入的加速度量，其中，输入的加速度量指由单支点电容式加速度计1所得到的加速度的量值，其通常以重力加速度g的倍数的形式表示。
若测试单支点电容式加速度计1的机械带宽，在上述电路的闭环输出端，即INJ端加入正弦波信号，该正弦波信号的峰值为1V，初始频率为10Hz，偏置为2.5V。正弦波信号经正反向两路放大器7后输出两路幅度相同、相位相反的正弦波信号并加载到单支点电容式加速度计1的支点两侧的两个极板上。这两路正弦波信号加载到Cf1和Cf2两个极板上，造成加速度计的摆动，进而导致极板间的电容出现变化。将正弦波信号的频率由10Hz至3000Hz进行扫描。观测闭环输出信号，直至闭环输出信号的幅度衰减至-3db时正弦波信号所对应的频率即为单支点电容式加速度计1的机械带宽。
通过更改上述电路中相应的各项电路参数，即可实现调节增益、零偏以及评估机械带宽和谐振频率的目的。设计人员可根据用户需求在线调整电路的参数即可改变加速度计的零偏、灵敏度、机械带宽等相关性能指标，并通过电信号量评估加速度计的机械带宽，从而评估该结构加速度计设计和制作过程中的关键参数，该技术方案适合电容式加速度计的晶圆级测试。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，用于对晶圆级的单支点电容式加速度计的性能参数进行在线评估和调试，其特征在于：其包括
电荷放大单元，所述的电荷放大单元通过探针卡与所述的单支点电容式加速度计相连接，所述的电荷放大单元将所述的单支点电容式加速度计输出的电容信号转换为电荷信号；
检波电路单元，所述的检波电路单元与所述的电荷放大单元的输出端相连接，所述的检波电路单元对所述的电荷放大单元所输出的电荷信号进行调制解调；
低通滤波单元，所述的低通滤波单元与所述的电荷放大单元的输出端相连接，所述的低通滤波单元将经过调制解调的电荷信号进一步放大并滤除载波信号，输出直流信号，所述的低通滤波单元的输出即为开环输出；
PID控制单元，所述的PID控制单元与所述的低通滤波单元的输出端相连接，所述的PID控制单元将开环输出的信号进行PID控制；
求和放大单元，所述的求和放大单元与所述的PID控制单元的输出端相连接，所述的求和放大单元对所述的PID控制单元的输出信号进行求和放大，所述的求和放大单元的输出即为闭环输出并与低频频谱分析仪相连接；
正反向两路放大器，所述的正反向两路放大器的输入端与所述的求和放大单元的输出端相连接，所述的正反向两路放大器的两个输出端分别与所述的单支点电容式加速度计的支点两侧的极板相连接。
2.根据权利要求1所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，其特征在于：所述的单支点电容式加速度计的灵敏度=所述的闭环输出信号/输入的加速度量，其中，所述的输入的加速度量指由所述的单支点电容式加速度计所得到的加速度的量值。
3.根据权利要求1所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，其特征在于：在所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置的闭环输出端加入正弦波信号，所述的正弦波信号经所述的正反向两路放大器后输出两路幅度相同、相位相反的正弦波信号并加载到所述的单支点电容式加速度计的支点两侧的两个极板上；将所述的正弦波信号的频率由低到高进行扫描并观测所述的闭环输出信号，直至所述的闭环输出信号的幅度衰减至-3db时所述的正弦波信号所对应的频率即为所述的单支点电容式加速度计的机械带宽。
4.根据权利要求3所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置，其特征在于：加入所述的晶圆级单支点电容式加速度计性能参数在线评估装置的闭环输出端的正弦波信号的峰值为1V，初始频率为10Hz，偏置为2.5V，且所述的正弦波信号的频率由10Hz至3000Hz进行扫描。
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