CN103018651B

CN103018651B - 用于mems器件的在片测试系统及其测试方法

Info

Publication number: CN103018651B
Application number: CN201210518811.1A
Authority: CN
Inventors: 李博; 杨拥军; 徐爱东; 卢新艳
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN103018651A

Abstract

本发明公开了一种用于MEMS器件的在片测试系统及其测试方法，属于MEMS器件测试技术领域。该系统包括自动探针台、探卡、矩阵开关、测试模块及计算机，自动探针台上表面设有被测圆片，被测圆片与探卡连接，探卡与测试模块之间设有矩阵开关，计算机分别与自动探针台、矩阵开关、测试模块连通，该系统的测试方法依次为完成探卡选择、圆片固定与初始定位、芯片参数测试与质量判断、取出圆片、数据管理等功能，完成整个圆片的全部测试。本测试方法能够准确、高效地完成MEMS器件微小电容、导通电阻、绝缘电阻、谐振频率、品质因数等参数的在片精确测试，并根据该测试方法建立一套完整的软硬件测试系统，用于MEMS器件的研制与生产。

Description

用于MEMS器件的在片测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及MEMS器件测试技术领域。

背景技术

近年来，采用MEMS技术制造的微器件在使用寿命、可靠性、成本、体积和重量方面都显示出了巨大的优势，使其在民用领域及军用领域有着越来越广泛的应用前景。随着MEMS加工工艺地不断成熟与发展，微机械加工技术已经越来越多地应用在传感器和执行器的制造过程中。

目前，MEMS器件的筛选测试大部分集中在整个器件组装完成后的成品测试，测试成本高，浪费严重。另外，还存在器件研制周期长，效率低等问题。

在片测试技术可以在MEMS芯片加工完毕还没有划片之前，在大圆片上利用探针及测试仪器快速测试芯片的性能是否合格，有效地剔除结构不完整与性能指标未达标的缺陷芯片，最大限度的节约生产成本，减小封装及性能测试时间浪费，提高生产效率。

MEMS器件是一种纯机械的可动结构，结构灵敏度高，没有任何电路元件。由于MEMS结构的特殊性，使得MEMS在片测试存在以下技术难点。

1、MEMS芯片的信号非常微弱，如电容量仅为aF级，提取困难，抗干扰能力差。再加上他是一种灵敏度极高的可动结构，测试中任何细微的干扰都会影响测试的准确性。

2、MEMS器件的工作原理是动力学，需要测试的项目除了静态参数之外，还有品质因数等动态参数。传统MEMS品质因数测试采用定义或扫频法。一方面，测试时间长、效率低；另一方面，品质因数测试范围小，当品质因数高于1万时，以上两种方法均无法准确测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于MEMS器件的在片测试系统及其测试方法，本测试系统能够准确、高效地完成MEMS器件微小电容、导通电阻、绝缘电阻、谐振频率、品质因数等所有参数的在片精确测试，并根据该测试系统建立一套完整的件测试方法，用于MEMS器件的研究生产。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于MEMS器件的在片测试系统，其特征在于包括自动探针台、探卡、矩阵开关、测试模块及计算机，所述自动探针台上表面设有被测圆片，被测圆片与探卡连接，探卡与测试模块之间设有矩阵开关，计算机分别与自动探针台、矩阵开关、测试模块连通。

对上述结构做进一步说明，所述自动探针台下方通过隔振地基支撑。

对上述结构做进一步说明，所述探卡和被测圆片周围设有屏蔽盒。

对上述结构做进一步说明，所述探卡是由PCB板和与PCB板连接的探针组成，所述探针与被测圆片连接。

对上述结构做进一步说明，测试模块主要由微小电容测试模块、动态测试模块、导通电阻测试模块及绝缘电阻测试模块组成，各分系统之间均相互独立。

上述用于MEMS器件在片测试系统的测试方法，其特征在于该测试方法的步骤如下：

1）选择与被测圆片相对应的探卡，安装在自动探针台上；

2）将被测圆片固定在自动探针台上，进行初始定位；

3）测试芯片的参数，根据测试结果判断芯片质量；

4）自动探针台移位对准下一芯片位置，直至所有芯片测试完成；

5）取出被测圆片；

6）对测试数据，按测试时间、被测圆片批号等规则进行数据管理。

对上述方法作进一步说明，所述参数测试与质量判断的过程为：首先，在探针与被测圆片接触前之前进行寄生参数测试，用于后期寄生参数补偿；第二步，被测圆片上抬与探针接触；第三步，打开矩阵开关，利用探针转换矩阵选择测试点，操作计算机提取自动探测台上该测试点数据；第四步，驱动探针转换矩阵控制改变测试点，重复第三步测试，直至探卡上所有测试点的测试项目全部完成并存储，其中测试项目主要包括寄生电容测试、检测电容测试、导通电阻测试、绝缘电阻测试、固有频率测试、品质因数测试以及带宽测试；第五步，根据所测试的所有测试项目，判断芯片质量，并显示结果。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明通过矩阵开关控制，探针与被测圆片连接，实现了多探针多参数一次性全自动测试，并根据测试结果判断芯片质量，将不合格芯片打点剔除，大大提高了生产效率；

2、本发明中的增加了隔振地基和屏蔽，采用屏蔽、隔振、低寄生参数探针及参数补偿方法，实现微小可动电容在片测试，解决了MEMS微小可动电容无法实现在片精确测试的难题；

3、采用脉冲激励响应法实现了高品质因数等动态参数的快速准确测量；

4、实现了导通电阻、绝缘电阻等其它参数的在片测试。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构连接关系示意图；

图2是本发明中的屏蔽与隔振结构示意图；

图3 为本发明中在片测试系统控制流程图；

图4 为芯片参数测试与质量判断流程图；

图5 为本发明脉冲响应激励法衰减振荡曲线及其包络曲线示意图；

其中：1、被测圆片，2、自动探针台，3、探卡，3-1、探针，3-2、PCB板，4、矩阵开关，5、测试模块，5-1、微小电容测试模块，5-2、动态测试分系统，5-3、导通电阻测试模块，5-4、绝缘电阻测试模块，6、计算机，7、屏蔽盒，8、隔振地基，9、衰减振荡曲线，10、包络曲线。

具体实施方式

本发明具体涉及一种用于MEMS器件的在片测试系统及其测试方法，适用于陀螺仪、加速度计、流量计、压力传感器等MEMS器件的在片测试。根据附图1克可知，该系统主要包括自动探针台2、探卡3、矩阵开关4、测试模块5及计算机6，探卡3是由PCB板3-1和与PCB板3-1连接的探针3-1组成，探针3-1与被测圆片连接。测试模块5主要由微小电容测试模块5-1、动态测试模块5-2、导通电阻测试模块5-3及绝缘电阻测试模块5-4组成，各分系统之间均相互独立。本系统所采用的矩阵开关4是agilent的E5250A商用矩阵开关。

本系统中各部分之间的连接关系如下：自动探针台2上表面设有被测圆片1，被测圆片1与探卡3连接，探卡3与测试模块5之间设有矩阵开关4，计算机6分别于自动探针台2、矩阵开关4、测试模块5连通。自动探针台2下方通过隔振地基8支撑，探卡3和被测圆片1周围设有屏蔽盒7，如附图2所示。

本系统工作原理如下：待测圆片1固定在自动探针台2上，探卡3将待测芯片与矩阵开关4连接，矩阵开关4选择测试模块5进行数据测试，测试数据被最终送入计算机6进行数据处理。计算机6协调自动探针台2、矩阵开关4以及测试模块5有序工作，完成测试任务，并将测试结果以图形形式显示。

根据附图3可知，本发明采用控制模块控制系统时序，依次完成上述系统的测试方法的步骤如下：

1）选择与被测圆片1相对应的探卡3，安装在自动探针台2上；

2）将被测圆片1固定在自动探针台2上，进行初始定位；

3）测试芯片的参数，根据测试结果判断芯片质量；

4）自动探针台2移位对准下一芯片位置，直至所有芯片测试完成；

5）取出被测圆片1；

6）对测试数据，按测试时间、被测圆片1批号等规则进行数据管理。

其中，参数测试与质量判断的过程为：首先，在探针3-1与被测圆片1接触前之前进行系统寄生参数测试，用于后期寄生参数补偿；第二步，被测圆片1上抬与探针3-1接触；第三步，打开矩阵开关4，利用探针转换矩阵选择测试点，操作计算机6提取自动探测台2上该测试点数据；第四步，驱动探针转换矩阵控制改变测试点，重复第三步测试，直至探卡3上所有测试点的测试项目全部完成并存储，其中测试项目主要包括寄生电容测试、检测电容测试、导通电阻测试、绝缘电阻测试、固有频率测试、品质因数测试以及带宽测试；第五步，根据所测试的所有测试项目，判断芯片质量，并显示结果，见附图4所示。

在微小电容检测系统5-1测试过程中，为了保证测试的精度，采取以下措施，实现MEMS芯片的微小电容在片测试：

（1）采用三同轴屏蔽直流探针3-1，将在探针端引入的寄生参数降到最小；

（2）采用屏蔽措施，将探卡3与被测圆片1罩在屏蔽盒7内，减小电磁干扰、环境噪声对检测信号的影响,同时使寄生参数值比较稳定，便于后期寄生参数补偿；

（3）将自动探针台2放在隔振地基8上，使自动测试系统与周围大地隔离，提高测试精度与测试稳定性；

（4）采取了以上三种措施后，已经将外界环境造成的寄生电容量减到最小。采用寄生参数补偿方法，在测试在探针扎下前用LCR表测试寄生参数值，再在探针扎下后测试待测电容，将测得的电容值减去探针扎下前测试的寄生电容值，得到的差值即为待测电容的实际电容值。

本发明在测试分析过程中，采用脉冲激励响应法可以实现固有频率、品质因数测试等动态参数的快速准确测量。

当在被测件驱动端输入脉冲激励时，被测件输出响应是以其稳态输出为平衡位置的衰减振荡曲线9，经C/V 转换电路后，振荡曲线由NI采集卡记录保存。对测试数据进行数据处理，提取振荡频率ω _d，和包络曲线10，如附图5所示，

其中，a、b为包络曲线常量。

ω _d、 b与被测件的固有频率ω _n、阻尼系数ε _n存在以下关系：

根据上面公式解算出固有频率ω _n及阻尼系数ε _n的值。

被测件的品质因数

本发明中，导通电阻与绝缘电阻测试分别采用数字万用表与高压源表实现。

Claims

1. 一种用于MEMS器件的在片测试系统的测试方法，其特征在于所述的测试系统包括自动探针台（2）、探卡（3）、矩阵开关（4）、测试模块（5）及计算机（6），所述自动探针台（2）上表面设有被测圆片（1），被测圆片（1）与探卡（3）连接，所述探卡（3）是由PCB板（3-2）和与PCB板（3-2）连接的探针（3-1）组成，探卡（3）与测试模块（5）之间设有矩阵开关（4），计算机（6）分别与自动探针台（2）、矩阵开关（4）、测试模块（5）连通；

其测试方法的步骤如下：

1）选择与被测圆片（1）相对应的探卡（3），安装在自动探针台（2）上；

2）将被测圆片（1）固定在自动探针台（2）上，进行初始定位；

3）测试芯片的参数，根据测试结果判断芯片质量：首先，在探针（3-1）与被测圆片（1）接触前之前进行寄生参数测试，用于后期寄生参数补偿；第二步，被测圆片（1）上抬与探针（3-1）接触；第三步，打开矩阵开关（4），利用探针转换矩阵选择测试点，操作计算机（6）提取自动探测台（2）上该测试点数据；第四步，驱动探针转换矩阵控制改变测试点，重复第三步测试，直至探卡（3）上所有测试点的测试项目全部完成并存储，其中测试项目主要包括寄生电容测试、检测电容测试、导通电阻测试、绝缘电阻测试、固有频率测试、品质因数测试以及带宽测试；第五步，根据所测试的所有测试项目，判断芯片质量，并显示结果；

4）自动探针台（2）移位对准下一芯片位置，直至所有芯片测试完成；

5）取出被测圆片（1）；

6）对测试数据，按测试时间、被测圆片（1）批号的规则进行数据管理。