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214研究所，蘇州215163）

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

微機電系統；量產；自動化；系統辨識；測試系統

0 引言

微機電系統（MEMS）是指采用微加工工藝制造技術將微傳感器、微執行器、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，微機電系統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、質量小、體積小、功耗低、性能高、可靠性好、可大批量生產等優點［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、可量產的特點，這也是MEMS慣性器件飛速發展的主要原因。

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展，目前低精度的商用MEMS慣性器件已經廣泛應用于各類民用領域。在工業自動化領域，其主要應用于先進的自動安全系統、高性能的導航系統、航行穩定性、翻滾的檢測和預防以及安全氣囊和制動系統。在消費電子產品領域，主要應用于手機、平板電腦、數碼相機和攝影機的圖像穩定、虛擬現實產品以及計算機游戲、電子玩具［3-4］。

軍事領域方面，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控制、平臺穩定、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、質量小、功耗低、成本低等優勢，使得原本采用傳統慣性傳感器無法實現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慣性器件的產業化刻不容緩。低成本與量產化是MEMS慣性器件相較與其他形式慣性器件最大的優勢，同時也是MEMS慣性系統直接面臨的最大挑戰。只有做到了低成本和可量產，才能最大限度地發揮MEMS慣性器件的優勢。然而要做到這兩點，最關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計與工藝缺陷，提高產品可靠性，降低研發和生產成本，高效率、批量化的測試是實現量產的最基礎要素。國內外許多生產MEMS慣性器件的廠商多數由于不具有完備高效的自動化測試能力，遲遲不能推出產品，從而止步不前。

因此，針對微機電慣性系統規?；a帶來的測試成本居高不下問題，開展微機電產慣性產品規?；a測試技術研究，意義深遠且勢在必行。

1 MEMS慣性產品測試體系

一套完備的、高效率的、適于工程化的MEMS慣性產品測試體系應分為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（產品性能測試）。

現在，國內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，直接增加生產成本；2）末期測試不能實現并行、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，形成一套測試體系是實現MEMS慣性器件工程化的重要任務之一，以此為出發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卡，以期極大地提高成品率。

2）如何在初期測試中即完成產品功能測試，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據，對某些低性能產品進行補償，提高成品率。

微機電慣性產品在生產的每一環節都需進行測試，測試的目地是篩出每一環節產生的不合格品。測試貫穿了MEMS慣性產品生產的始終，這些測試往往環環相扣，并且后級測試環節時在很大程度上受到前級環節的效率影響，生產及測試流程如下：

1）晶圓級測試；

2）封裝測試；

3）功能測試；

4）性能測試；

5）產品性能提升與質檢。

晶圓級測試環節完成了MEMS敏感結構在劃片前的最初篩選，主要對絕緣電阻、靜態電容、模態等基礎物理量進行測試。根據設計要求，從中剔除工藝誤差等因素造成的不合格產品，為后期測試減輕負擔；功能測試環節完成了MEMS產品初步檢測，剔除因組裝、鍵合、封裝等過程非理想因素造成的不合格產品，減輕后續測試負擔；性能測試環節是產品出廠前的性能評估過程，耗時最長，測試指標繁多，該環節也是整個MEMS慣性產品生產過程中占總成本比重較大的部分，此部分的測試效率至關重要；產品分類環節將通過性能測試的產品進行分類，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節積累的數據，對部分產品進行性能補償，提高產品合格率，進一步降低生產成本。

通過以上分析，可以清楚地認識到所有環節都是緊密結合的，上一測試環節效率的提升，能夠以倍數關系提升后續的測試效率。因此以該效率關系為基礎，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，篩查該環節產生的瑕疵品，對產品做初步分類。

3）利用工業物聯網技術，實現產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）優化性能補償技術，進一步提高產品性能，并對最終產品進行分類。

2 測試技術分析

2.1 基于微機械系統辨識的晶圓級測試技術

傳統的晶圓級測試項目主要包含：絕緣電阻、靜態電容、模態諧振頻率、模態Q值等。電容式MEMS陀螺儀或加速度計絕緣電阻和靜態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。傳統的測試方法存在如下缺點：

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

2）測試速度慢，多項目需要逐一測試。

3）某些參數的測試精度不高，與被測件真值出入較大。

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

系統辨識是一種試驗方法，通過測量MEMS敏感結構在輸入作用下的輸出響應，經過必要的數據處理和數學計算，估計出系統的數學模型、模型的精度、系統噪聲等［8-10］。通過晶圓級的MEMS結構系統辨識，可以一次性精確地得到模態的諧振頻率、環路的Q值、模態頻率差、機械增益、系統噪聲等關鍵參數。其基本原理如圖1所示。

圖1 MEMS系統辨識基本原理Fig.1 Schematic of MEMS system identification

2.2 基于晶圓級構架體系的功能預測評價技術

采用新的晶圓級測試固然可以得到更多的器件基礎物理參數，并且參數的準確性更高。然而在組封裝之前依然存在有功能問題的MEMS敏感結構，若讓這些本身就不能實現功能的敏感結構進入組封裝環節，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理電路引入晶圓級測試，在MEMS敏感結構劃片之前，實現功能的測試。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的初步篩選所不能分辨出的殘次品，極大地降低后續生產加工測試成本。

2.3 微機電慣性器件全自動化測試評價技術

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特性測試、溫度特性測試、非線性度測試、動態性能測試等項目，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。傳統的慣性器件測試方法無法滿足MEMS產業的發展要求，所以采用全自動化、規?；臏y試技術是大勢所趨［8-9］。

本文采用智能規?；芍厮軘祿杉夹g實現慣性器件的規?；瘻y試，使用工業物聯網技術及多設備實時控制技術實現測試過程全自動化，系統框圖如圖2所示。

微機電慣性系統全自動化測試系統硬件模塊分為4個部分。第一部分為負責控制與數據采集、存儲等功能；第二部分為環境仿真與模擬設備，提供器件性能測試所需的各個環境條件，模擬真實使用環境；第三部分為器件與數據采集，采用智能規模化可重塑數據采集技術，針對不同通信方式進行可配置、規?；瘮祿杉?；第四部分為狀態監控模塊，對測試過程中的環境狀態、測試條件、測試安全性進行實時監控。

圖2 MEMS慣性系統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采用測試方案可配置化、測試流程實時監測、控制模塊化與數據處理生成報告，整體軟件框架如圖3所示。

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

測試方案運行控制模塊根據測試方案配置文件的設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、數據采集模塊、分度臺模塊、轉臺模塊、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監控部分讀取錯誤信息后進行分析、處理與做出相應處理措施，使整個系統更加安全，真正意義上實現全自動無人值守同時各個模塊包含系統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

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

數據處理與生成報告模塊負責針對不同測試項目進行相應處理并生成報告，數據處理與生成報告模塊框圖如圖5所示。

圖5 數據處理與生成報告模塊框圖Fig.5 Schematic of data processing and reporting module

3 結論

測試作為MEMS慣性器件工程化過程中最重要的環節，是國內主要生產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，還使用工業物聯網無線技術與多設備實時控制技術相結合實現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控，測試狀態信息記錄可查，在線自動化數據補償與驗證，極大地提高了工程化階段器件的測試效率。

[1]Bhushan B.Springer handbook of nano-technology（2nd）[M].Berlin： Springer-Verlag，2007.

[2]Marek J.MEMS for automotive and consumer electronics[C].2010 IEEE International Solid-State Circuits Conference，2010： 9-17.

[3]Shkel A M.Microtechnology comes of age[J].GPS World，2001，22（9）： 43-55.

[4]Yazdi N，Ayazi F，Njafi K.Micromachined inertial sensor[J].Proceedings of the IEEE，1998，86（8）： 1640-1659.

[5]Madni A M，Costlow L E，Knowles S J.Common design techniques for BEI Gyrochip quartz rate sensor for both automotive and aerospace/defense markets[J].IEEE Sensor Journal，2003，3（5）： 569-578.

[6]Xia D Z，Chen S L，Wang S R.Development of a prototype miniature silicon gyroscope[J].Sensor 2009，9（6）：4586-4605.

[7]Arnold E，Nuscheler F.Compensation methods for a Silicon tuning fork gyroscope[J]. Microsystem Technologies，2008，14（4-5）： 623-628.

[8]Soukuski M，Aaltonen L，Halonen K A L.Zero-rate output and quardrature compensation in vibration MEMS gyroscopes[J].IEEE Sensor Journal，2007，7 （12 ）：1639-1652.

[9]Brinker R，Zhang L，Andersen P.Modal identification from ambient response using frequency domain decomposition[C].Proceedings of the International Modal Analysis Conference （IMAC），2000： 625-630.

[10]Landau I D，Zico G.Digital control systems-design，identification and implementation[M].New York：Springer-Verlag，2006.

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，高級工程師，研究方向為微電子技術。