本文將從MEMS傳感器晶圓級測試與成品級測試這兩個層面，淺析了目前現(xiàn)狀及問題，提出了一些有待商榷的解決辦法。

　　一、晶圓級測試

　　1.1晶圓級測試現(xiàn)狀及問題

　　一款MEMS傳感器一般包括微結(jié)構(gòu)、接口電路及算法。由于接口電路和算法本質(zhì)上就是IC，對于IC的晶圓級測試本文不做展開，主要講述微結(jié)構(gòu)晶圓級測試，無論在產(chǎn)品研制還是量產(chǎn)階段微結(jié)構(gòu)晶圓級測試都具有舉足輕重作用。

　　在產(chǎn)品研制階段，晶圓級測試主要用于驗證器件正常工作，工藝穩(wěn)定性和器件一致性。晶圓級測試可以獲得器件早期特性以及可靠性數(shù)據(jù)分析，這些對于MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)化來講至關(guān)重要。相比產(chǎn)品設(shè)計定型后再進行產(chǎn)品可靠性和失效驗證，晶圓級微結(jié)構(gòu)測試能夠早期介入極大節(jié)約開發(fā)時間和成本。

　　晶圓級測試在產(chǎn)品量產(chǎn)階段可以驗證傳感器件是否具備較高成品率，因為微感結(jié)構(gòu)成品率一般比接口ASIC要低很多，早期晶圓級測試可以有效剔除不良產(chǎn)品，提高成品率，極大降低生產(chǎn)成本。常規(guī)來講，一款MEMS傳感器三分之一成本在于封裝測試，另外兩個部分分別為研發(fā)及市場投入和流片費用。相比傳統(tǒng)IC產(chǎn)品，MEMS傳感器封測成本十分昂貴，如果在系統(tǒng)封測之前就對成品率相對較低的微結(jié)構(gòu)進行晶圓級測試，顯然能夠提高成品率，降低生產(chǎn)成本。圖1為典型的MEMS傳感器品質(zhì)因數(shù)測試曲線。一般需要微小信號拾取探針卡，以及一臺動態(tài)信號分析儀搭建起來進行測試。Q值的測試可以很全面的評估傳感器的真空度保持情況、微結(jié)構(gòu)的諧振頻率，各模態(tài)的頻率，器件的靈敏度等是否滿足設(shè)計要求。

　　晶圓級MEMS傳感器測試如此重要，然而相關(guān)性專用測試設(shè)備以及標準空白或者極少，研發(fā)公司或制造商很難找到與產(chǎn)品晶圓級測試高度吻合的測試設(shè)備，并且價格相當(dāng)昂貴，例如一臺硅麥的全自動測試機標價高達30萬人民幣。其原因主要有：

　　1.專用測試設(shè)備存在技術(shù)壁壘

　　微結(jié)構(gòu)的信號十分微弱，比如100nm的位移，10-20F的電容變化量，低于nV級的電壓等等，這些信號經(jīng)常被噪聲淹沒，極易受到干擾，專用測試設(shè)備必須突破微小信號檢測技術(shù)壁壘。與傳統(tǒng)混合信號IC測試相比而言，不僅僅提供電壓或電流波形測試向量，采集IC輸出結(jié)果進行處理和判斷。需要考慮傳感信號的屏蔽，微小信號拾取等高精尖檢測技術(shù)，這些技術(shù)都有專門公司進行研究并申請專利，一些國家還限制該類設(shè)備或技術(shù)的對外應(yīng)用。傳感器晶圓級測試必需通過探針卡或探針可靠接觸，必需考慮噪聲干擾，能夠精確反應(yīng)傳感量，確實具有挑戰(zhàn)性，難度較大。

　　2.專用測試設(shè)備很難提升其通用性

　　因為感知物理量不一致，感知原理不盡相同，傳感器圓片級檢測原理不盡相同。從檢測原理來講有電荷式、電容式、壓阻式、壓電式等，對于一臺測試設(shè)備來講，很難完全滿足各種原理的微傳感器測試要求。

　　從激勵源的角度講，需要測試設(shè)備提供聲、光、電、磁、熱、力、旋轉(zhuǎn)、振動等物理激勵。一臺設(shè)備也是很難提供多種物理激勵的。

　　3、專用測試設(shè)備需要滿足不同測試環(huán)境條件

　　有些傳感器需要真空環(huán)境，有些運動檢測類陀螺儀、加速度計或磁力計需要精確角速度旋轉(zhuǎn)或精確的方向姿態(tài)控制。還有一些傳感器需要極低溫度或超高溫度。有些傳感器測試需要提供50~150V高壓偏置，并且偏置電壓穩(wěn)定度還影響傳感器性能測試結(jié)果。

　　1.2采用一種架構(gòu)多種組合的思路解決晶圓級測試

　　首先，需要MEMS傳感器行業(yè)盡快制定圓片級的測試標準及綱要，盡快推進標準化進程。

　　其次，基于標準和規(guī)范，再推出一個MEMS傳感器晶圓級測試通用平臺，借鑒IC測試臺思路，在數(shù)據(jù)采集處理方面可以與集成電路相似。而在探針卡上面需要結(jié)合不同傳感器推出不同功能探針卡，比如被測晶圓是電容式檢測的，就采用帶電容檢測類的專用屏蔽探針。如果激勵不同，也可以在通用平臺上加裝不同激勵模塊，形成一個閉環(huán)的測試平臺。簡而言之，在開放的平臺上，通過選用不同檢測探針和激勵模塊可以搭建滿足不同種類MEMS傳感器的晶圓級測試平臺。

　　展望MEMS晶圓級測試，這種沒有專用測試設(shè)備的狀況可能會持續(xù)一段時間，基本上是研發(fā)公司和代工廠針對自身產(chǎn)品尋求專用設(shè)備開發(fā)。5年之內(nèi)，隨著MEMS傳感器產(chǎn)業(yè)的崛起，會有更多的設(shè)備提供商與代工廠或研發(fā)公司共同開發(fā)全定制的一些專用測試設(shè)備，會有一些技術(shù)強大的設(shè)備提供商稱為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，5年之后會有基于開放平臺采用不同探針卡組合搭積木的測試設(shè)備出現(xiàn)。

　　二、MEMS傳感器成品級測調(diào)及標定

　　2.1成品級測試現(xiàn)狀及問題

　　前面主要對圓片級測試，主要針對微感結(jié)構(gòu)進行了分析，本節(jié)主要對封裝好的MEMS成品級測調(diào)進行淺析。這里不單是測試還包括調(diào)整補償和標定，從字面上來理解，集成電路成品的測試無非是靜、動態(tài)參數(shù)的測試。對于傳感器產(chǎn)品來講，往往需要調(diào)整參數(shù)、補償輸出特性、標定參數(shù)、最后才是測試性能。這也是封裝測式占據(jù)三分之一成本的原因之一。常見的運動檢測類傳感器測試設(shè)備，如圖2所示。下面從以下幾個方面分析問題和現(xiàn)狀：

　　集成電路測試時間直接影響測試成本，與IC測試不同，傳感器需要物理量激勵，而這些物理量激勵設(shè)備與測試臺提供電壓電流源信號最大不同在于建立時間。一個信號源可以以微秒級速度穩(wěn)定輸出給IC輸入端，這是很容易做到的。但是，轉(zhuǎn)臺無法在微秒內(nèi)穩(wěn)定輸出，被測陀螺儀也不可能有如此高響應(yīng)帶寬，從一個轉(zhuǎn)速的啟動，到穩(wěn)定后采集傳感器轉(zhuǎn)速，到轉(zhuǎn)臺停止，一般都是20s左右，與傳統(tǒng)電信號測試相差7個數(shù)量級。所以物理激勵與電激勵顯著差別就在測試效率上。其他類型MEMS傳感器測試都有這樣共性問題。

　　有些傳感器需要進行溫度補償，一般一個溫度點穩(wěn)定時間在1小時，低溫需要2小時才能達到平衡。溫度類測試都是比較耗時的。

　　測試設(shè)備自動化程度低，無法進行全自動測試。比如轉(zhuǎn)臺、高低溫箱、振動臺、離心機這些設(shè)備提供商只關(guān)心自身設(shè)備指標情況，功能單一，手動操作。雖然有控制接口和協(xié)議，還需研發(fā)公司自己再進行二次開發(fā)，才能完成全自動測試。

　　2.2如何破解成品級測試問題

　　向時間要效率，降低時間就是降低成本。成品MEMS產(chǎn)品測試核心問題是如何縮短測調(diào)標定時間。主要有以下幾個方面來縮短測調(diào)標定時間。

　　在傳感器系統(tǒng)設(shè)計時就考慮成品測試快速性問題，也就是說MEMS產(chǎn)品通過模式切換，可以轉(zhuǎn)換成CBIT模式，即所謂的命令內(nèi)部自檢測。通過不同的測試命令字，MEMS產(chǎn)品內(nèi)部可以產(chǎn)生一個多頻合成電壓或電流激勵，經(jīng)過MEMS微結(jié)構(gòu)，檢測接口電路，數(shù)字算法電路，最終結(jié)果通過運算比較后給出測試是否正確的標志位。另外，也可以通過電信號等效為外加物理激勵，通過MEMS檢測電路后，應(yīng)該產(chǎn)生一個預(yù)期等效結(jié)果輸出。另外，一些帶寬測試，完全可以采用等效階躍信號注入到檢測環(huán)路中，不斷記錄檢測系統(tǒng)對階躍或脈沖信號響應(yīng)序列，判斷響應(yīng)曲線上升時間，穩(wěn)定時間，可以計算出檢測系統(tǒng)阻尼系數(shù)，也能間接計算帶寬?？傊瑥南到y(tǒng)的角度考慮測試效率提升可以極大降低物理激勵測試時間。這需要在MEMS產(chǎn)品ASIC設(shè)計階段就要去考慮，該功能的加入可以開放給用戶，方便用戶在使用器件時也可以進行內(nèi)部自檢測，證明MEMS傳感器功能性能正常。

　　提高工藝穩(wěn)定性和產(chǎn)品一致性，盡量避免后修調(diào)和補償，因為后調(diào)整和補償既增加測試時間，又增加了測試平臺硬投入。但話也不能說死，如果要做高精度傳感器，除了工藝優(yōu)化之外，后調(diào)整和補償能夠顯著提升產(chǎn)品性能，一分錢一分貨，用戶也愿意為此買單。至于到底該不該加入后調(diào)整和補償，需要在測試成本與投入和市場上同類產(chǎn)品的定價情況上折中考慮，當(dāng)然，與產(chǎn)品的定位也有很大關(guān)系。

　　盡量減少人為參與，增加全自動化測試設(shè)備。目前，設(shè)備基本不具備全自動化功能，需要研發(fā)公司投人資金開發(fā)全自動的標定測試平臺。隨著MEMS傳感器產(chǎn)品應(yīng)用越來越多，全自動化的測試設(shè)備是市場剛需。測試設(shè)備廠商可以調(diào)研不同傳感器的測試方法和標準，在此基礎(chǔ)上尋找MEMS產(chǎn)品測試設(shè)備共性技術(shù)和相同點，推出滿足不同種類的自動化測試設(shè)備。

　　三、結(jié)束語

　　本文從MEMS傳感器晶圓級測試與成品級測試兩個層面，淺析了目前現(xiàn)狀及問題，提出了一些有待商榷的解決辦法。展望MEMS傳感器的測試，需要解決測試標準及方法的問題，行業(yè)內(nèi)部需要統(tǒng)一接口，統(tǒng)一測試方法。設(shè)備廠商也需要為產(chǎn)品的量產(chǎn)定制全自動的測試平臺。代工廠也需要提供穩(wěn)定的工藝參數(shù)確保微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品一致性和成品率，設(shè)計人員也需要在系統(tǒng)設(shè)計時就要考慮可測試性設(shè)計，縮短測試時間等等。相信，未來幾年，目前的問題會得到很多改善。