MEMS陀螺在片自動測試系統開發

孫天玲 胥超 趙陽 付興中 楊志

摘要：為了快速評估出微機械陀螺的振動性能參數，結合ASIC探針卡，NI數據采集卡，半自動探針臺和軟件實現了圓片級自動測試，判斷出陀螺是否能正常振蕩。實驗結果表明，該圓片級在片自動測試系統能準確的測量出芯片的振動性能，快速準確的反映出工藝能力，且實現圓片級挑選出不同等級性能的陀螺芯片，對陀螺的設計和生產加工具有重要的促進作用。

關鍵詞：微機械陀螺;在片測試系統;數字采集卡

中圖分類號：TP274.2??? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

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

微機械陀螺由于其體積小，重量輕，功耗低，抗過載能力強，環境適應性好、易于集成和實現智能化等優點^[1]，它在諸如汽車牽引控制系統、行駛穩定系統、攝像機穩定系統、飛機穩定系統、以及無人機、軍事領域均有廣泛的前景^[2]。

陀螺芯片制作的流程比較長，精度要求高，工藝的誤差等等存在一系列問題，目前大部分的在片測試系統可用于測量諧振頻率、Q值、結構電容等靜態相關參數，但是僅僅依靠這些靜態參數，很難有效地評估陀螺芯片真正的動態性能^[3]，傳統篩選方法采用后道裝配成模塊以后進行測試和記錄數據，測試周期長，且引入外來裝配和電路板的影響，無法直觀的反映工藝能力，對前道工藝線來說很難有效地提升工藝加工能力，不利于工藝的進步，且無法滿足大批量產品的供貨要求，因此，能夠在片圓片級評估陀螺關鍵動態性能指標參數成為陀螺生產加工過程中的一項迫切需要。

本文正是基于此開展研究，通過ASIC電路探卡，數據采集卡實現圓片在片自動測試。文獻[4]對微機械陀螺的測試與標定技術進行了詳細的原理性的介紹與分析，為陀螺的性能測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的處理模塊來實現信號解調，實現圓片級自動測試系統測試出陀螺的動態振動性能，直觀的反映出芯片的正交耦合。

1 測試系統的組成

測試系統由探針臺、AISC探卡，NI USB-xxxx數據采集卡、控制電腦四部分組成。在測試過程中，通過Labview應用軟件的程序對系統各組成部分進行控制和數據交換，計算陀螺的閉環參數，具有較高的精確度，提高了測試效率。

1.1 硬件部分

微機械陀螺的測試系統框圖主要包括半自動探針臺、NI數據采集卡、自制的ASIC探卡和測試軟件。其中探針臺實現圓片級自動測試功能，ASIC探卡實現陀螺的閉環穩幅振蕩及陀螺的檢測信號放大;經接口輸入至NI采集卡，通過Labview程序完成參數提取。

1.2 測試儀器及軟件平臺

數據采集卡采用NI USB類的數據采集卡，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。

半自動探針臺：實現圓片自動測試map圖。

電源表可提供+/-25V電壓，能夠滿足測試時電壓需求;

測試軟件采用Labview程序作為軟件基礎。利用Labview中提供的幅度測量、頻率測量及相位測量模塊提取我們所需的參數，反饋到測試軟件中，實現圓片自動測試。如圖1所示;

1.3 測試流程

測試時，外接一個電源，探卡探針接觸圓片測試PAD，經NI采集卡量化后輸入至軟件處理程序，利用 Labview軟件提供的幅度測量、頻率測量及相位測量模塊提取參數，實現整個圓片在片自動測試。

1.4測試參數及存儲

如圖2所示：測試數據存儲包含驅動軸、檢測軸振動數據、驅動軸的諧振頻率fd、Q值，相位差ΔΦ，正交誤差與同相誤差信息，連同圓片信息和測試點坐標等數據按行在指定EXCEL中存儲，最后生成匯總文件，如表1所示。

2 測試結果

將某款MEMS 陀螺進行在片測試的正交耦合與傳統劃片后再裝配的測試結果進行了對比，表2為對比測試數據。可以看出陀螺在片測試的耦合誤差、相位差與裝配后測試的耦合誤差、相位差趨勢上是一致的，驗證了該自動測試系統的可行性和有效性，根據在片測試結果，能夠快速的反映出陀螺設計和工藝能力，對陀螺的性能進行分等級評估。

3 結論

MEMS陀螺在片測試系統能夠準確的測量出芯片的振動性能，判斷出陀螺是否能正常振蕩，節省了后道裝配時間周期，減少外來因素影響，直接篩選出不同等級耦合性能指標的芯片，節省了后道的管殼和ASIC電路，提升了后道的成品率，已應用與實際芯片篩選中。根據在片測試數據，極大地方便了工藝監測和問題分析。

參考文獻

[1]施芹.提高硅微機械陀螺儀性能若干關鍵技術研究[D].南京：東南大學，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.微機械陀螺測試與標定技術研究[J].傳感技術學報，2006，19（5）： 2264-2267.

收稿日期：2020-03-09

作者簡介：孫天玲（1985—），女，河南南陽人，碩士研究生，工程師，研究方向：慣性/射頻元器件的測試和質量提升。

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