MEMS惯性器件工程化测试体系研究

徐国平，王 甫，乔 伟，周建国

（中国兵器工业214研究所，苏州215163）

MEMS惯性器件工程化测试体系研究

徐国平，王 甫，乔 伟，周建国

（中国兵器工业214研究所，苏州215163）

由于低成本和高可靠性的优势，MEMS惯性器件被广泛用于军事、汽车、消费类电子等领域。但是国内目前无法实现工程化和批量化生产，国产MEMS惯性器件的市场占有率增速缓慢。分析了制约国产MEMS惯性器件工程化的瓶颈，设计了一套用于批量化生产的测试系统，该系统已经过实际生产验证，具有自动化和高效率的优势。该系统能有效降低生产成本，加速解决MEMS惯性器件工程化问题。

微机电系统；量产；自动化；系统辨识；测试系统

0 引言

微机电系统（MEMS）是指采用微加工工艺制造技术将微传感器、微执行器、信号控制处理电路等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统，微机电系统的特征尺寸在微米到毫米量级。微机电器件具有微型化、集成化、智能化、成本低、质量小、体积小、功耗低、性能高、可靠性好、可大批量生产等优点［1-2］。

目前，常见的惯性器件主要包括陀螺仪和加速度计［3］。航空飞行器中的惯性导航、制导模块主要采用的是光纤陀螺、激光陀螺和石英加速度计等，其体积大、质量大、功耗高，难以微小型化和低成本批量化加工。而硅材料具有极好的机械特性，抗大冲击能力强，借助传统IC加工工艺，使得基于硅材料的硅微机械惯性器件有易于加工、成本低、可量产的特点，这也是MEMS惯性器件飞速发展的主要原因。

伴随着微惯性器件理论研究的不断深入，微加工工艺水平的不断提升，硅微机械惯性器件的性能得以飞速发展，目前低精度的商用MEMS惯性器件已经广泛应用于各类民用领域。在工业自动化领域，其主要应用于先进的自动安全系统、高性能的导航系统、航行稳定性、翻滚的检测和预防以及安全气囊和制动系统。在消费电子产品领域，主要应用于手机、平板电脑、数码相机和摄影机的图像稳定、虚拟现实产品以及计算机游戏、电子玩具［3-4］。

军事领域方面，MEMS惯性器件主要运用于弹药的惯性制导、飞行器的导航和姿态控制、平台稳定、便携式单兵导航等。因为硅微机械陀螺相比其他陀螺具有抗冲击能力强、体积小、质量小、功耗低、成本低等优势，使得原本采用传统惯性传感器无法实现的武器装备成为可能［5］。

从军民市场的广泛需求考量，推动MEMS惯性器件的产业化刻不容缓。低成本与量产化是MEMS惯性器件相较与其他形式惯性器件最大的优势，同时也是MEMS惯性系统直接面临的最大挑战。只有做到了低成本和可量产，才能最大限度地发挥MEMS惯性器件的优势。然而要做到这两点，最关键的就是拥有高效率和完备的测试能力。完备的测试能暴露设计与工艺缺陷，提高产品可靠性，降低研发和生产成本，高效率、批量化的测试是实现量产的最基础要素。国内外许多生产MEMS惯性器件的厂商多数由于不具有完备高效的自动化测试能力，迟迟不能推出产品，从而止步不前。

因此，针对微机电惯性系统规模化生产带来的测试成本居高不下问题，开展微机电产惯性产品规模化生产测试技术研究，意义深远且势在必行。

1 MEMS惯性产品测试体系

一套完备的、高效率的、适于工程化的MEMS惯性产品测试体系应分为3个部分：

1）初期测试（晶圆级测试）；

2）中期测试（组装、封装后测试）；

3）末期测试（产品性能测试）。

现在，国内MEMS惯性厂家主要存在的问题是：1）初期测试能力较弱，甚至没有初期测试，导致了成品率低，直接增加生产成本；2）末期测试不能实现并行、同步的大批量测试，测试成本过高，效率低下。建立一套完备的、高效率的MEMS惯性器件测试系统，形成一套测试体系是实现MEMS惯性器件工程化的重要任务之一，以此为出发点需要在以下方面深入研究：1）MEMS惯性器件晶圆级测试新方法；2）MEMS惯性器件性能测试自动化与批量化；3）MEMS惯性器件测试成本优化。具体面临的问题如下：

1）如何扩大晶圆级测试广度和精度，使MEMS惯性器件初期筛选成为残次品的第一道关卡，以期极大地提高成品率。

2）如何在初期测试中即完成产品功能测试，省去中期测试所花费的时间与人力成本。

3）如何实现末期性能测试的并行化、自动化、无人值守化。

4）如何利用末期测试的数据，对某些低性能产品进行补偿，提高成品率。

微机电惯性产品在生产的每一环节都需进行测试，测试的目地是筛出每一环节产生的不合格品。测试贯穿了MEMS惯性产品生产的始终，这些测试往往环环相扣，并且后级测试环节时在很大程度上受到前级环节的效率影响，生产及测试流程如下：

1）晶圆级测试；

2）封装测试；

3）功能测试；

4）性能测试；

5）产品性能提升与质检。

晶圆级测试环节完成了MEMS敏感结构在划片前的最初筛选，主要对绝缘电阻、静态电容、模态等基础物理量进行测试。根据设计要求，从中剔除工艺误差等因素造成的不合格产品，为后期测试减轻负担；功能测试环节完成了MEMS产品初步检测，剔除因组装、键合、封装等过程非理想因素造成的不合格产品，减轻后续测试负担；性能测试环节是产品出厂前的性能评估过程，耗时最长，测试指标繁多，该环节也是整个MEMS惯性产品生产过程中占总成本比重较大的部分，此部分的测试效率至关重要；产品分类环节将通过性能测试的产品进行分类，例如可分为高性能、中等性能、一般性能等级别，同时利用性能测试环节积累的数据，对部分产品进行性能补偿，提高产品合格率，进一步降低生产成本。

通过以上分析，可以清楚地认识到所有环节都是紧密结合的，上一测试环节效率的提升，能够以倍数关系提升后续的测试效率。因此以该效率关系为基础，拟从以下方面进行研究，以期提升测试效率，降低测试成本：

1）提高晶圆级测试精度，增强对于不合格产品的辨识度。

2）提升功能测试信息量，通过简单的功能测试，验证组封装的工艺精度，筛查该环节产生的瑕疵品，对产品做初步分类。

3）利用工业物联网技术，实现产品性能测试的全自动化，全过程无人值守，最终生成详实的性能测试报表。

4）优化性能补偿技术，进一步提高产品性能，并对最终产品进行分类。

2 测试技术分析

2.1 基于微机械系统辨识的晶圆级测试技术

传统的晶圆级测试项目主要包含：绝缘电阻、静态电容、模态谐振频率、模态Q值等。电容式MEMS陀螺仪或加速度计绝缘电阻和静态电容主要通过多用表或者专用表进行测试［6-7］，如谐振频率通过正弦波扫频的办法获得等。传统的测试方法存在如下缺点：

1）参数测试独立，相互剥离，而MEMS惯性器件作为一个系统，参数之间是相互依赖和影响的，独立的测试无法表征实际系统真实状态。

2）测试速度慢，多项目需要逐一测试。

3）某些参数的测试精度不高，与被测件真值出入较大。

本文采用基于在线系统辨识的方法，在MEMS惯性器件晶圆级测试环节对主要参数进行测试。所谓模型就是将系统的本质部分信息简缩成有用的描述形式，是系统行为特性的一种客观写照，而器件的主要参数包含在系统模型中。

系统辨识是一种试验方法，通过测量MEMS敏感结构在输入作用下的输出响应，经过必要的数据处理和数学计算，估计出系统的数学模型、模型的精度、系统噪声等［8-10］。通过晶圆级的MEMS结构系统辨识，可以一次性精确地得到模态的谐振频率、环路的Q值、模态频率差、机械增益、系统噪声等关键参数。其基本原理如图1所示。

图1 MEMS系统辨识基本原理Fig.1 Schematic of MEMS system identification

2.2 基于晶圆级构架体系的功能预测评价技术

采用新的晶圆级测试固然可以得到更多的器件基础物理参数，并且参数的准确性更高。然而在组封装之前依然存在有功能问题的MEMS敏感结构，若让这些本身就不能实现功能的敏感结构进入组封装环节，必将造成极大的浪费，直接导致成本的增加。如果在晶圆级就进行器件功能测试，将使这一问题迎刃而解。

因此，本文拟将专用的信号调理电路引入晶圆级测试，在MEMS敏感结构划片之前，实现功能的测试。如 MEMS加速度计输出加速度值、MEMS陀螺仪输出角速度或者角度值，通过这一手段，就能分辨出依靠物理参数的初步筛选所不能分辨出的残次品，极大地降低后续生产加工测试成本。

2.3 微机电惯性器件全自动化测试评价技术

微机电惯性器件测试包括MEMS陀螺仪、MEMS加速度计的测试，测试项目包括了静态特性测试、温度特性测试、非线性度测试、动态性能测试等项目，测试项目中仅仅器件温度特性测试以及后期补偿验证耗费了大量人力、物力、时间等成本。传统的惯性器件测试方法无法满足MEMS产业的发展要求，所以采用全自动化、规模化的测试技术是大势所趋［8-9］。

本文采用智能规模化可重塑数据采集技术实现惯性器件的规模化测试，使用工业物联网技术及多设备实时控制技术实现测试过程全自动化，系统框图如图2所示。

微机电惯性系统全自动化测试系统硬件模块分为4个部分。第一部分为负责控制与数据采集、存储等功能；第二部分为环境仿真与模拟设备，提供器件性能测试所需的各个环境条件，模拟真实使用环境；第三部分为器件与数据采集，采用智能规模化可重塑数据采集技术，针对不同通信方式进行可配置、规模化数据采集；第四部分为状态监控模块，对测试过程中的环境状态、测试条件、测试安全性进行实时监控。

图2 MEMS惯性系统全自动化测试硬件框架图Fig.2 Hardware schematic of MEMS automatic testing system

微机电惯性器件全自动化测试系统采用测试方案可配置化、测试流程实时监测、控制模块化与数据处理生成报告，整体软件框架如图3所示。

图3 微机电惯性系统全自动化测试系统软件框架Fig.3 Software schematic of MEMS automatic testing system

测试方案运行控制模块根据测试方案配置文件的设置控制整个程序的运行流程，进行各个功能模块的分配运行。本模块中包含电源模块、数据采集模块、分度台模块、转台模块、离心机模块、温箱模块、定时模块与错误处理模块，测试方案运行控制模块与各个子模块进行通信以控制各个子模块的运行。其中，错误处理模块从系统监控部分读取错误信息后进行分析、处理与做出相应处理措施，使整个系统更加安全，真正意义上实现全自动无人值守同时各个模块包含系统运行所需的各个子模块，整体模块框架如图4所示。

图4 测试方案运行控制模块整体框架图Fig.4 Schematic of testing solution

测试系统运行实时监测与信息发送模块负责系统运行时各个设备与环境的监测与信息发送，状态实时监测包括设备自身具有的PID控制采集的设备实时信息以及各个传感器采集的环境信息对整个系统运行环境进行监控，系统运行过程中如有器件、电路发生损坏信息将实时反馈至控制模块进行断电处理。

数据处理与生成报告模块负责针对不同测试项目进行相应处理并生成报告，数据处理与生成报告模块框图如图5所示。

图5 数据处理与生成报告模块框图Fig.5 Schematic of data processing and reporting module

3 结论

测试作为MEMS惯性器件工程化过程中最重要的环节，是国内主要生产厂家所共同面临的问题。本文从工程化的角度分析了影响工程化测试最关键的几个问题，并提出了一套完整的面向MEMS惯性器件工程化的测试体系。该体系使得晶圆级测试手段具有更高的可信度和精度，在晶圆级实现功能性的测试，减少浪费，极大地降低了成本。此外，还使用工业物联网无线技术与多设备实时控制技术相结合实现了微惯性器件性能测试全自动化无人值守，测试过程实时远程监控，测试状态信息记录可查，在线自动化数据补偿与验证，极大地提高了工程化阶段器件的测试效率。

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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

徐国平，男，本科，半导体器件与物理专业，高级工程师，研究方向为微电子技术。