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基于PXI 的金屬氧化物(MOX)氣體傳感器測試方案


  來源: 虹科電子 時間:2019-12-25 編輯:清風
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測試背景


MEMS技術應用使得金屬氧化物(MOX)氣體傳感器在晶圓級大規(guī)模生產(chǎn)中得以廣泛應用,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)性有機化合物(OCs),如:如乙醇、丙酮和甲苯的精確測量。出于健康和安全考慮,這些傳感器的應用主要包括環(huán)境監(jiān)測、生物研究、工業(yè)控制、便攜式酒精測量儀和家庭空氣監(jiān)測系統(tǒng)。



MOX氣體傳感器采用MEMS技術,大大降低了制造成本。但是這些傳感器也必須經(jīng)過測試,這與典型半導體器件的制造和測試相比是一組獨特的挑戰(zhàn)。這篇白皮書介紹了一個半導體氣體傳感器制造商采用的基于PXI的集成化測試解決方案,該方案可提供測試所需的準確性,適應非常大規(guī)模的現(xiàn)場計數(shù),并且在低成本的情況下可匹配高性能半導體測試系統(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)制作的微機電系統(tǒng)(微機電系統(tǒng))器件。MCM的基本組成部分是微控制器ASIC,在晶圓片上預測試,以及傳感器本身。這些組件被放置在一個共同的基板上,蓋子被放置在組件上,有一個小的孔或網(wǎng),允許氣體進入傳感器,如下圖。



該傳感器由一個小型發(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材料是一個可變電阻,對它所接觸的氣體中的化學物質(zhì)作出反應。MOX可以被設計成對特定類型或類別的氣體(稱為目標氣體)做出不同的響應。在真空環(huán)境中,MOX的阻力可以是幾個MOhms。當加熱時,在目標氣體的存在下,MOX材料的電阻明顯下降,下降到幾十個KOhms。當應用的熱量被消除,和/或測試氣體被消除,MOX阻力恢復到以前的值。


由于實際應用中的熱量,需要測量MOX涂層在真空下的電阻值,然后測量MOX涂層在空氣中存在一定量的目標氣體(以ppm測試)的情況下的電阻值,兩者的比值作為校準設備的依據(jù)。在實際操作中,校準的MOX電阻測量是對環(huán)境中目標氣體密度的指示。


對傳感器加熱器和MOX測量值的控制,就好比對設備寄存器的讀/寫,由控制器ASIC執(zhí)行,而ASIC又由測試系統(tǒng)通過I2C接口進行控制。I2C接口是四線制總線,由兩個I2C總線(SCL和SDA)、中斷信號和復位信號組成。下圖詳細說明了MOX傳感器MCM設備的組成。



測試系統(tǒng)需求


為了測試這些設備,測試系統(tǒng)需要具備以下功能和屬性:


測試/校準MOX傳感器的時間可能需要幾十分鐘。由于需要在真空和目標氣體“浸泡”傳感器,所以需要很長的“soak”時間。顯然,使用大型、高性能的半導體測試儀,在soak期間需要閑置一段時間,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。


測試吞吐量很重要。由于駐留時間長,因此系統(tǒng)必須支持非常大的并行測試能力,這樣才能將soak時間內(nèi)分攤到多個設備上


DUT負載板必須位于一個可以對氣體濃度進行精確控制的封閉環(huán)境中。這就排除了使用處理handler來加載和卸載設備,導致需要手動插入和刪除設備的典型應用方法。因此,操作人員需要一種方法來直觀地識別手工裝訂的傳遞和故障組件。


一旦達到了預期的soak時間,所有的測量都需要在不到一秒的時間內(nèi)完成,以避免由于不同的浸泡時間而產(chǎn)生的結果偏差。


由于組件是一個新的設計,系統(tǒng)需要可擴展,因此測試容量會隨著產(chǎn)量的增加而增加。


wafer級ASIC測試完成后,設備通過通用I2C從地址到達封裝測試。系統(tǒng)需要有能力對每個設備的I2C總線進行隔離,從而消除了修改從地址進行測試的需要。由于加載板涉及到DUT的手動插入,因此在開始冗長的測試過程之前,需要一種測試方法來驗證正確的組件插入。一個簡單的接觸測試實現(xiàn)了這一點,因此系統(tǒng)需要提供PMU/pin功能。


系統(tǒng)實現(xiàn)


架構


該方案選擇的架構是一個基于PXI的混合(hybrid)系統(tǒng),由PXI儀器和USB控制的外部儀器組成。注意,在這種情況下使用hybrid一詞并不意味著PXI Express hybrid;PXI儀器均為標準PXI-1。在此文中,hybrid是指PXI和非PXI工具的結合。


電源


在正?;蚩臻e狀態(tài)下,設備的工作電流很低,但在測量過程中,實驗表明,當傳感器加熱器被激活時,每個設備的涌流可能很高。為了支持大型多站點配置(最多512臺設備),PXI power解決方案被認為是不夠的,所以選擇了外部Keysight E36313A電源。


數(shù)字儀器


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