MEMS陀螺在片自动测试系统开发

孙天玲 胥超 赵阳 付兴中 杨志

摘要：为了快速评估出微机械陀螺的振动性能参数，结合ASIC探针卡，NI数据采集卡，半自动探针台和软件实现了圆片级自动测试，判断出陀螺是否能正常振荡。实验结果表明，该圆片级在片自动测试系统能准确的测量出芯片的振动性能，快速准确的反映出工艺能力，且实现圆片级挑选出不同等级性能的陀螺芯片，对陀螺的设计和生产加工具有重要的促进作用。

关键词：微机械陀螺;在片测试系统;数字采集卡

中图分类号：TP274.2    文献标识码：A   文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

MEMS（Micro-Electro-Mechanical-Systems）微电子机械系统或者微机电系统。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

微机械陀螺由于其体积小，重量轻，功耗低，抗过载能力强，环境适应性好、易于集成和实现智能化等优点^[1]，它在诸如汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统、以及无人机、军事领域均有广泛的前景^[2]。

陀螺芯片制作的流程比较长，精度要求高，工艺的误差等等存在一系列问题，目前大部分的在片测试系统可用于测量谐振频率、Q值、结构电容等静态相关参数，但是仅仅依靠这些静态参数，很难有效地评估陀螺芯片真正的动态性能^[3]，传统筛选方法采用后道装配成模块以后进行测试和记录数据，测试周期长，且引入外来装配和电路板的影响，无法直观的反映工艺能力，对前道工艺线来说很难有效地提升工艺加工能力，不利于工艺的进步，且无法满足大批量产品的供货要求，因此，能够在片圆片级评估陀螺关键动态性能指标参数成为陀螺生产加工过程中的一项迫切需要。

本文正是基于此开展研究，通过ASIC电路探卡，数据采集卡实现圆片在片自动测试。文献[4]对微机械陀螺的测试与标定技术进行了详细的原理性的介绍与分析，为陀螺的性能测试方法提供了较好的参考。本文在南理工老师的帮助下，利用LabVIEW的处理模块来实现信号解调，实现圆片级自动测试系统测试出陀螺的动态振动性能，直观的反映出芯片的正交耦合。

1 测试系统的组成

测试系统由探针台、AISC探卡，NI USB-xxxx数据采集卡、控制电脑四部分组成。在测试过程中，通过Labview应用软件的程序对系统各组成部分进行控制和数据交换，计算陀螺的闭环参数，具有较高的精确度，提高了测试效率。

1.1 硬件部分

微机械陀螺的测试系统框图主要包括半自动探针台、NI数据采集卡、自制的ASIC探卡和测试软件。其中探针台实现圆片级自动测试功能，ASIC探卡实现陀螺的闭环稳幅振荡及陀螺的检测信号放大;经接口输入至NI采集卡，通过Labview程序完成参数提取。

1.2 测试仪器及软件平台

数据采集卡采用NI USB类的数据采集卡，4模拟输入通道，24位A/D分辨率，可使模拟输出AO和模拟输入AI通道获得良好的信噪比。

半自动探针台：实现圆片自动测试map图。

电源表可提供+/-25V电压，能够满足测试时电压需求;

测试软件采用Labview程序作为软件基础。利用Labview中提供的幅度测量、频率测量及相位测量模块提取我们所需的参数，反馈到测试软件中，实现圆片自动测试。如图1所示;

1.3 测试流程

测试时，外接一个电源，探卡探针接触圆片测试PAD，经NI采集卡量化后输入至软件处理程序，利用 Labview软件提供的幅度测量、频率测量及相位测量模块提取参数，实现整个圆片在片自动测试。

1.4测试参数及存储

如图2所示：测试数据存储包含驱动轴、检测轴振动数据、驱动轴的谐振频率fd、Q值，相位差ΔΦ，正交误差与同相误差信息，连同圆片信息和测试点坐标等数据按行在指定EXCEL中存储，最后生成汇总文件，如表1所示。

2 测试结果

将某款MEMS 陀螺进行在片测试的正交耦合与传统划片后再装配的测试结果进行了对比，表2为对比测试数据。可以看出陀螺在片测试的耦合误差、相位差与装配后测试的耦合误差、相位差趋势上是一致的，验证了该自动测试系统的可行性和有效性，根据在片测试结果，能够快速的反映出陀螺设计和工艺能力，对陀螺的性能进行分等级评估。

3 结论

MEMS陀螺在片测试系统能够准确的测量出芯片的振动性能，判断出陀螺是否能正常振荡，节省了后道装配时间周期，减少外来因素影响，直接筛选出不同等级耦合性能指标的芯片，节省了后道的管壳和ASIC电路，提升了后道的成品率，已應用与实际芯片筛选中。根据在片测试数据，极大地方便了工艺监测和问题分析。

参考文献

[1]施芹.提高硅微机械陀螺仪性能若干关键技术研究[D].南京：东南大学，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]楊金显，袁赣南，徐良臣.微机械陀螺测试与标定技术研究[J].传感技术学报，2006，19（5）： 2264-2267.

收稿日期：2020-03-09

作者简介：孙天玲（1985—），女，河南南阳人，硕士研究生，工程师，研究方向：惯性/射频元器件的测试和质量提升。

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