一种可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统

技术领域

本发明属于MEMS陀螺测试领域，具体涉及一种可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统。

背景技术

MEMS陀螺仪作为一种芯片化角速度传感器，是MEMS技术在惯性导航领域的核心应用之一。相较于传统的机械陀螺，其具有成本低，重量轻，可靠性高及抗冲击性能好等显著优点。目前，如何对批量制备的MEMS陀螺在晶圆级完成多特征参数的高效提取，同时满足器件应用性能预评估需求，实现工艺方与设计方的紧密握手，是发挥其批量化制备成本优势，进一步拓宽应用市场的一个难点。

现有的晶圆级测试技术多针对于陀螺谐振频率、品质因数、结构电容等参数，其表征重点在MEMS制备工艺状态而非陀螺在应用环境下的特性，同相、正交耦合误差不在常规晶圆级测试范围内，且针对频率、品质因数的测试环境多为单一的低电压条件，无法预表征其最终应用电压条件下的结果。而传统的陀螺同相与正交耦合测试是在器件加工完成后，对封装成模块的陀螺整表进行筛测。但这种测试方法周期长成本高，并引入了封装等后道工艺和电路参数的影响，无法在短时间内高效、准确地获取陀螺参数，并预先剔除失效芯片。此外，陀螺频率、品质因数、同相与正交耦合误差等参数性能会受偏压影响，因此采用可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统，可以表征不同电压条件下的频率等参数，筛选并评估其性能优劣，提供满足用户多样化需求的系列化参数，提高陀螺生产加工效率。

MEMS陀螺结构形式多种多样，不同工艺平台陀螺的引脚位置与间距也各异。传统的圆片探卡中探针根据陀螺引脚定义定制，无法适配其他引脚定义的陀螺，不具有普适性。

谐振频率和品质因数是决定MEMS陀螺仪有效振幅、灵敏度和分辨率等的基本特征参数。为有效抑制耦合误差，提高信噪比，MEMS陀螺采用晶圆级真空封装，工作在<1Pa的真空环境下,检测模态品质因数可达10,000以上。目前国内外针对陀螺模态频率、品质因数的测试方法主要为时域法和频域法。中国专利CN110553666A公开了一种电容式陀螺仪敏感结构品质因数的获取方法。通过采样获取陀螺仪输出信号，计算输出信号衰减时间常数，将衰减时间常数乘以固有谐振频率和π取绝对值得到品质因数。这类方法无法在线实时获得数据结果，且无法自动更改陀螺压差，不能表征其他电压状态下的品质因数测试结果，无法筛选性能更优的系列化参数。

由于加工工艺精度和材料残余应力等因素影响，使得陀螺驱动振动部分地耦合到检测模态上，产生同相、正交耦合误差。耦合误差测试时，必须保证陀螺结构稳幅谐振，即处于闭环工作状态，且晶圆级测试的探针及信号引线长，信号微弱、干扰大，测试难度高，而电路相位误差等也会影响测试准确性。目前国内外针对晶圆级陀螺耦合误差的测试方法研究较少。中国专利CN114252093A公开了一种MEMS陀螺性能预评估片上测试系统，通过采集检测信号、增益控制电平及驱动检测信号，解算品质因数以及耦合误差，但该类方法的测试条件为单一的低电压条件，不能预表征其他电压状态下的陀螺性能，并无法进一步在线解算获取机械品质因数等参数，且该系统仅适配于特定引脚定义的陀螺，不适配于其他引脚定义的陀螺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统，可以自动化测试不同电压状态下的MEMS陀螺多类晶圆级参数指标，且采用模块化电路，可适配于不同引脚定义的MEMS陀螺，能够简化传统测试流程，提高测试效率，实现陀螺性能的筛选和预评估，并具有普适性。

实现本发明目的的技术方案为：

一种可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统，包括：

无源针卡，通过探针连接晶圆级MEMS陀螺的各组梳齿电极与质量块电极，并通过屏蔽线与有源测控模块的电极接口相连，可通过屏蔽线间的互换适配于不同引脚定义的陀螺；

数据采集卡，通过上位机时序控制与数据处理系统控制，输出控制电平、白噪声激励信号以及直流偏置电压信号，以控制模式控制模块分别与开环阻容测试模块、Ring-Down测试模块和闭环耦合误差测试模块的通断切换以及陀螺质量块电极与其他电极的压差，并采集陀螺输出的检测信号、驱动检测信号并传输至上位机时序控制与数据处理系统；

有源测控模块，设有模式控制模块、开环阻容测试模块、Ring-Down测试模块和闭环耦合误差测试模块；模式控制模块用于在控制电平、白噪声激励信号下实现与开环阻容测试模块、Ring-Down测试模块和闭环耦合误差测试模块的通断切换；开环阻容测试模块，用LCR仪表与陀螺各组梳齿电极与质量块电极的连接，实现在开环阻容测试时对梳齿电极的电容、电阻测试；Ring-Down测试模块，用于采集检测电极负极的信号V

上位机时序控制与数据处理系统，用于控制数据采集卡输出电平信号，并调节Ring-Down测试和耦合误差测试时的陀螺压差，并对采集到的检测负极信号V

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)与现有的晶圆级测试技术相比，本发明的有源测控模块融合了开环阻容测试、Ring-Down测试以及闭环耦合误差测试三个模块，可以自由切换不同测试功能，且能通过上位机程序改变陀螺电极电压，实现阻容、频率、品质因数以及耦合误差多项参数的自动化变电压测试，简化了测试流程，不需要离线数据操作；可对品质因数等测试结果进行在线解算，进一步获取静电阻尼、静电负刚度等特征参数，为后续获取梳齿间隙等工艺指标、制备工艺优化奠定基础；可以建立品质因数、耦合误差与偏置电压平方的线性模型，能够预表征应用电压条件下的特征参数，筛选并评估陀螺参数性能，及时剔除失效芯片，可以满足器件应用性能预评估的需求。

(2)与传统的陀螺整表性能测试技术相比，本发明可以在圆片级对陀螺频率、品质因数、耦合误差进行变电压的自动化连续测试，可以节省后道工艺与测试的时间周期和成本，避免了封装等后道工艺和电路参数对测试结果的影响，提高了陀螺生产加工效率，为MEMS陀螺设计迭代、制备工艺优化、器件性能低成本高效预评估提供技术支撑。

(3)与现有的晶圆级测试探卡相比，本发明的无源针卡与有源测控模块的电极接口端使用ipex屏蔽线相连，可以更改两者间的互连顺序，即本模块化在片测试系统可适配于不同引脚定义的晶圆级MEMS陀螺，具有普适性，能够节省测试装置再开发的成本。

附图说明

图1为本发明的可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统框图。

图2为本发明的有源测控模块的功能示意图。

图3为本发明的上位机时序控制与数据处理系统流程示意图。

图4为开环阻容测试以及变偏压条件下的Ring-Down测试功能的时序图。

图5为变偏压条件下闭环耦合误差测试功能的时序图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所示，本发明的一种可变偏压的MEMS陀螺模块化在片测试系统，包括无源针卡1、有源测控模块2、LCR仪表3、数据采集卡4以及上位机时序控制与数据处理系统5；

无源针卡1通过探针1-1连接晶圆级MEMS陀螺的各组梳齿电极与质量块电极，其电极接口1-2与有源测控模块的电极接口2-1通过ipex屏蔽线相连，可通过屏蔽线间的互换适配于不同引脚定义的陀螺；上位机5控制数据采集卡4连接控制端口IN1输出低电平直流信号，连接端口IN2输出高电平直流信号，电路连通开环阻容测试模块2-3，通过LCR测试仪3连接有源测控模块2输出端口，测试各组梳齿电极的电阻、电容；阻容测试结束后，数据采集卡4连接端口IN2输出低电平白噪声信号，电路连通Ring-Down测试模块2-4，数据采集卡4连接检测电极正极，输出白噪声，连接质量块电极，自动输出已设定的不同幅值的电压信号，采集检测电极负极的信号V

如图2所示，有源测控模块2的电极端口2-1采用ipex屏蔽线接口，有源测控模块包括模式控制模块2-2、开环阻容测试模块2-3、基于Ring-Down原理的频率及品质因数测试模块2-4和闭环耦合误差测试模块2-5；

所述模式控制模块2-2采用由十六个单刀双掷电控开关组成的两路开关矩阵，第一路开关矩阵控制端口为IN1(八个一组为第一路)，第二路开关矩阵控制端口为IN2(另外八个一组为第二路)，第一路和第二路开关矩阵的控制端口IN1、IN2均连接至数据采集卡输出端口，控制电平由上位机程序控制数据采集卡产生；第一路开关矩阵的公共端均连接至陀螺电极端口2-1，分别与陀螺的MASS电极、各梳齿电极相连；第一路开关矩阵的第一端SA连接至第二路电控开关矩阵的公共端，第一路开关矩阵的的第二端SB连接闭环耦合误差测试模块的C/V接口电路的输入端；第二路电控开关矩阵的第一端SA连接开环阻容测试模块的阻容测试端口，第二路电控开关矩阵的第二端SB连接Ring-Down测试模块的C/V接口电路的输入端；当控制电平IN1为低电平(<0.8V)时，第一路电控开关矩阵的所有公共端均连接对应的第二端SB，电路处于闭环耦合误差测试状态；当控制电平IN1、IN2均为高电平(>2V)时，两路电控开关矩阵的公共端均连接对应的第一端SA，电路切换为开环阻容测试状态；当控制电平IN1为高电平(>2V)、IN2为低电平白噪声信号(<0.8V)时，第一路电控开关芯片公共端连接对应的第一端SA，第二路公共端都连接对应的第二端SB，电路切换为Ring-Down测试状态；

开环阻容测试模块2-3为8接口的接口电路，连接陀螺各组梳齿电极与质量块电极，由LCR仪表读出驱动、驱动检测、检测等各组梳齿电极的结构电容和漏电阻；

Ring-Down测试模块2-4由C/V接口电路将陀螺仪检测电容输出的检测电流I

闭环耦合误差测试模块2-5由C/V接口电路、移相电路、自动增益控制电路、乘法器电路组成；

所述C/V接口电路将陀螺仪输出的检测电流信号I

所述移相电路与C/V接口电路相连，将驱动检测信号VDS通过积分器移相90度转换为移相后的驱动检测信号VDSL；

所述自动增益控制电路包括全波整流电路、低通滤波电路和PI控制电路，全波整流电路与移相电路相连，将移相后的VDSL信号转换为正半周信号，通过低通滤波电路提取信号幅值，PI控制电路比较信号幅值与参考电压，最终输出增益控制电平PI；

所述乘法器电路将增益控制电平PI与移相后的驱动检测信号相乘，得到驱动信号VD，将驱动信号反馈至陀螺的驱动电极，实现闭环驱动。

如图3所示，所设计的LabVIEW上位机时序控制与数据处理系统5包含Ring-Down测试程序以及闭环耦合误差测试程序；

所述Ring-Down测试程序流程为设置模式控制电平、质量块电极电压幅值，其中模式控制电平选择低电平的白噪声信号，根据奈奎斯特采样定理，为保证不失真地获取信号，采样频率至少大于最高工作频率的二倍，例如通常陀螺仪的工作频率在17kHz附近，可选择100kHz作为采样频率。提取采集的衰减震荡曲线，对其滤波，采用单频测量控件获得检测频率f

选择曲线拟合控件，对不同时间t

计算检测模态品质因数Q为：

考虑机电负载效应，可建立等效品质因数Q

其中，Q

通过V

计算负载电阻为：

由于存在静电负刚度效应，检测频率f

所述Ring-Down测试程序还包括结果显示与保存功能，可以显示衰减震荡曲线、拟合斜率波形、以及不同偏压下的检测频率、检测品质因数、机械品质因数、负载电阻的数值结果，并以文本文件的形式进行保存。

所述闭环耦合误差测试程序流程为设置质量块电极电压与采样频率，为保证不失真地获取信号，采样频率至少大于最高工作频率的二倍，例如可选择100kHz作为采样频率。采集闭环状态下，无角速度输入时的驱动检测信号VDS以及检测信号VS的幅值与相位差

正交耦合误差V

由于陀螺加工误差会导致梳齿间隙的离散性，引起检测方向上的静电力，从而激发检测模态产生耦合误差，静电力F

针对两个不同偏置电压状态下的耦合误差测试结果进行线性拟合，获取模型系数，实现变偏压条件下的晶圆级参数性能的预表征。

所述闭环耦合误差测试程序也包括结果显示与保存功能，可以显示不同偏压下的检测信号、驱动检测信号波形、幅值、相位差、以及同相耦合误差和正交耦合误差值并以文本文件的形式进行保存，或者选择“仅显示，不保存文件”的功能，仅通过前面板观察。

如图4所示，开环阻容及Ring-Down测试时序是为在t

如图5所示，闭环耦合误差测试时序为IN1始终保持低电平信号，经过t秒后，质量块电压信号由V

综上所述，本发明公开的具体实施方式如上所示，但该内容仅作为示例，以便于操作人员理解本发明，不作为本发明的限制，任何该领域内的技术人员在不脱离本发明所公开的范围内，均可在本发明的基础上对其实施方式及操作细节等进行修改。