測(cè)試背景

MEMS技術(shù)應(yīng)用使得金屬氧化物(MOX)氣體傳感器在晶圓級(jí)大規(guī)模生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用，大大降低了硅晶圓制造的成本。這些氣體傳感器裝置適用于一氧化碳(CO)和各種揮發(fā)性有機(jī)化合物(OCs)，如：如乙醇、丙酮和甲苯的精確測(cè)量。出于健康和安全考慮，這些傳感器的應(yīng)用主要包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物研究、工業(yè)控制、便攜式酒精測(cè)量?jī)x和家庭空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

MOX氣體傳感器采用MEMS技術(shù)，大大降低了制造成本。但是這些傳感器也必須經(jīng)過(guò)測(cè)試，這與典型半導(dǎo)體器件的制造和測(cè)試相比是一組獨(dú)特的挑戰(zhàn)。這篇白皮書介紹了一個(gè)半導(dǎo)體氣體傳感器制造商采用的基于PXI的集成化測(cè)試解決方案，該方案可提供測(cè)試所需的準(zhǔn)確性，適應(yīng)非常大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)，并且在低成本的情況下可匹配高性能半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)的整體吞吐量性能。

MOX氣體傳感器介紹

MOX氣體傳感器是作為多芯片模塊(MCM)制作的微機(jī)電系統(tǒng)(微機(jī)電系統(tǒng))器件。MCM的基本組成部分是微控制器ASIC，在晶圓片上預(yù)測(cè)試，以及傳感器本身。這些組件被放置在一個(gè)共同的基板上，蓋子被放置在組件上，有一個(gè)小的孔或網(wǎng)，允許氣體進(jìn)入傳感器，如下圖。

該傳感器由一個(gè)小型發(fā)熱元件組成，該發(fā)熱元件位于涂有專用金屬氧化物材料的薄膜之下。MOX材料是一個(gè)可變電阻，對(duì)它所接觸的氣體中的化學(xué)物質(zhì)作出反應(yīng)。MOX可以被設(shè)計(jì)成對(duì)特定類型或類別的氣體(稱為目標(biāo)氣體)做出不同的響應(yīng)。在真空環(huán)境中，MOX的阻力可以是幾個(gè)MOhms。當(dāng)加熱時(shí)，在目標(biāo)氣體的存在下，MOX材料的電阻明顯下降，下降到幾十個(gè)KOhms。當(dāng)應(yīng)用的熱量被消除，和/或測(cè)試氣體被消除，MOX阻力恢復(fù)到以前的值。

由于實(shí)際應(yīng)用中的熱量，需要測(cè)量MOX涂層在真空下的電阻值，然后測(cè)量MOX涂層在空氣中存在一定量的目標(biāo)氣體（以ppm測(cè)試）的情況下的電阻值，兩者的比值作為校準(zhǔn)設(shè)備的依據(jù)。在實(shí)際操作中，校準(zhǔn)的MOX電阻測(cè)量是對(duì)環(huán)境中目標(biāo)氣體密度的指示。

對(duì)傳感器加熱器和MOX測(cè)量值的控制，就好比對(duì)設(shè)備寄存器的讀/寫，由控制器ASIC執(zhí)行，而ASIC又由測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)I2C接口進(jìn)行控制。I2C接口是四線制總線，由兩個(gè)I2C總線(SCL和SDA)、中斷信號(hào)和復(fù)位信號(hào)組成。下圖詳細(xì)說(shuō)明了MOX傳感器MCM設(shè)備的組成。

測(cè)試系統(tǒng)需求

為了測(cè)試這些設(shè)備，測(cè)試系統(tǒng)需要具備以下功能和屬性：

測(cè)試/校準(zhǔn)MOX傳感器的時(shí)間可能需要幾十分鐘。由于需要在真空和目標(biāo)氣體“浸泡”傳感器，所以需要很長(zhǎng)的“soak”時(shí)間。顯然，使用大型、高性能的半導(dǎo)體測(cè)試儀，在soak期間需要閑置一段時(shí)間，這樣不能有效的利用這些昂貴的資源。所以，解決方案必須具有較低的初始資本成本。

測(cè)試吞吐量很重要。由于駐留時(shí)間長(zhǎng)，因此系統(tǒng)必須支持非常大的并行測(cè)試能力，這樣才能將soak時(shí)間內(nèi)分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)設(shè)備上

DUT負(fù)載板必須位于一個(gè)可以對(duì)氣體濃度進(jìn)行精確控制的封閉環(huán)境中。這就排除了使用處理handler來(lái)加載和卸載設(shè)備，導(dǎo)致需要手動(dòng)插入和刪除設(shè)備的典型應(yīng)用方法。因此，操作人員需要一種方法來(lái)直觀地識(shí)別手工裝訂的傳遞和故障組件。

一旦達(dá)到了預(yù)期的soak時(shí)間，所有的測(cè)量都需要在不到一秒的時(shí)間內(nèi)完成，以避免由于不同的浸泡時(shí)間而產(chǎn)生的結(jié)果偏差。

由于組件是一個(gè)新的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)需要可擴(kuò)展，因此測(cè)試容量會(huì)隨著產(chǎn)量的增加而增加。

wafer級(jí)ASIC測(cè)試完成后，設(shè)備通過(guò)通用I2C從地址到達(dá)封裝測(cè)試。系統(tǒng)需要有能力對(duì)每個(gè)設(shè)備的I2C總線進(jìn)行隔離，從而消除了修改從地址進(jìn)行測(cè)試的需要。由于加載板涉及到DUT的手動(dòng)插入，因此在開始冗長(zhǎng)的測(cè)試過(guò)程之前，需要一種測(cè)試方法來(lái)驗(yàn)證正確的組件插入。一個(gè)簡(jiǎn)單的接觸測(cè)試實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，因此系統(tǒng)需要提供PMU/pin功能。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

架構(gòu)

該方案選擇的架構(gòu)是一個(gè)基于PXI的混合（hybrid）系統(tǒng)，由PXI儀器和USB控制的外部?jī)x器組成。注意，在這種情況下使用hybrid一詞并不意味著PXI Express hybrid；PXI儀器均為標(biāo)準(zhǔn)PXI-1。在此文中，hybrid是指PXI和非PXI工具的結(jié)合。

電源

在正?；蚩臻e狀態(tài)下，設(shè)備的工作電流很低，但在測(cè)量過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)傳感器加熱器被激活時(shí)，每個(gè)設(shè)備的涌流可能很高。為了支持大型多站點(diǎn)配置(最多512臺(tái)設(shè)備)，PXI power解決方案被認(rèn)為是不夠的，所以選擇了外部Keysight E36313A電源。

數(shù)字儀器