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Fraunhofer ISIT利用NI PXI平台进行MEMS惯性传感器的最终晶圆级测试

2018-02-27 15:28:48·  
　
这套NI PXI解决方案的主要优势，就是能在不牺牲测量准确度的前提下提高测量速度，而这多半要归功于FPGA的板载信号处理能力以及更快速的NI SMU测量功能。- Dr. Oliver Schwarzelbach,Fraunhofer Institute of Silicon Technology挑战:减少微机电系统(MEMS)惯性传感器最终晶圆级测试所需的测试时间、测试系统体积与整体成本，
"这套NI PXI解决方案的主要优势，就是能在不牺牲测量准确度的前提下提高测量速度，而这多半要归功于FPGA的板载信号处理能力以及更快速的NI SMU测量功能。"
- Dr. Oliver Schwarzelbach, Fraunhofer Institute of Silicon Technology 
挑战:
减少微机电系统(MEMS)惯性传感器最终晶圆级测试所需的测试时间、测试系统体积与整体成本，同时兼顾测量质量。
 
解决方案:
使用NI PXI平台开发了一个系统，可同步测试多达4个传感器，并支持1D ~ 6D的惯性测量单元(IMU)测量；同时针对包含3,400个传感器的单个晶圆，测试时间可缩短至3小时以内。
 
Fraunhofer ISIT公司背景
德国Fraunhofer硅技术研究所(Fraunhofer Institute of Silicon Technology，Fraunhofer ISIT)是欧洲最顶尖的微电子与微系统技术研发机构之一。 该机构拥有一套具备强大制造能力的设施，能满足从研究到工业生产等各领域的用途。 Fraunhofer ISIT的合作伙伴涵盖从元器件和晶圆级设计与制造到封装技术等领域，专为各类传感器（例如压力、运动与生物化学分析）和致动器（例如阀门、扫描器与镜像阵列）生产拥有精密可动结构的电力电子与微系统。元件与技术应用则覆盖汽车、消费类电子、通信系统、医疗设备等领域。
 
经济层面与技术层面的挑战
对于陀螺仪和加速度计等MEMS惯性传感器的最终晶圆级测试，会涉及到进行参数测量（包括测量寄生漏电流）和提取共振频率、环境压力和机械耦合等机械特性。 由于MEMS惯性传感器通常用于大量生产的消费性电子或汽车市场，因此企业亟需一种极具成本效益的测试方法。
 
NI PXI平台解决方案
使用NI PXI-7854R多功能RIO模块进行所有的机械特性测量，包含共振频率、环境压力与机械耦合，具体配置如下：
  • 每轴使用2 X 2 模拟输出和输入组合（正弦波 + 矩形波）
  • 现场可重配置门阵列(FPGA)，每轴配有两个同步解调器
  • 使用LabVIEW FPGA模块编写峰值检测、AC/DC测量以及数字信号处理算法，并板载部署到Xilinx Virtex-5 FPGA LX110上（板载处理可大幅缩短测试时间）
我们采用4通道NI PXIe-4141精密电源测量单元(SMU)来执行所有的参数测量。 每个SMU会在信号垫(Signal Pad)之间进行漏电流测量。 信号则会通过开关矩阵路由至信号垫。 每一个NI PXIe-4141可通过4个SMU通道支持多达4个1D陀螺仪的测试。
 
NI PXI解决方案的优势
这套NI PXI解决方案的主要优势，就是能在不牺牲测量准确度的前提下提高测量速度，而这多半要归功于FPGA的板载信号处理能力以及更快速的NI SMU测量功能。 此外，与需要使用多个台式仪器的前一代测试系统相比，不仅系统成本大幅降低，就连系统体积也大大减小了，只需占用极少的机架空间。
 

 
表1. 每晶圆包含3,400个待测设备(DUT)的1D陀螺仪的测试结果
 
总测试时间为每晶圆30,260秒（8.41小时），其中4个设备并行进行测试，也就是每个包含/3,400个DUT的晶圆的测试时间小于三个小时，与前一代测试系统相比测试时间几乎减少六分之五。 此外，系统也能灵活扩展为4个并行测试站点，以轻松满足更大规模的并行测试。
   
 
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