惯性MEMS器件：测试技术概述和注意事项
2011-10-14 12:15:17   来源：微迷   评论：0   点击：

MEMS惯性传感器，如加速度计和陀螺仪，在传感器测试中是最具挑战性的类型，因为它们的特性需要很宽范围的物理刺激。最近，MEMS Investor Journal（以下简称MIJ）就惯性MEMS器件测试问题，采访了ACUTRONIC公司的销售主任Sascha Revel。作为一家主要聚焦于惯性传感器测试的公司，ACUTRONIC拥有独特的视角和有价值的见解。在本次采访中，Revel先生讨论了主要的惯性MEMS传感器测试、可靠性要求、主要挑战和相关费用等问题。

MIJ：MEMS器件的测试和IC测试之间的主要区别是什么？

Sascha：传统半导体器件主要使用通用测试仪进行电气测试，而MEMS器件，尤其是惯性MEMS需要一系列测试，包括物理刺激。

MIJ：MEMS加速度计的主要测试类型有哪些？

Sascha：MEMS加速度计需要经过几次静态和动态压力测试，如机械冲击、可变频率振动测试、温度循环和组件级恒定加速度测试。标准的条件测试保证加速度计长期的可靠性，如需要通过高低温工作寿命测试。最重要的是特性测试如下：标度因子测定、偏差（或加速度偏移量）、线性度、轴较直测试和离轴振动灵敏度。

MIJ：对于这些测试类型，主要做什么？为什么它们是重要的？

Sascha：标度因子测定在原始加速度测量值和首选的工程单位之间定义了一个常数关系。标度因子可通过多种方式测量：（a）当地重力可以用来进行±g校准；（b）对于更高“g”级别，把加速度计安装在转台边缘，转台旋转产生径向加速度，加速度正比于半径和角速度平方的乘积；（c）线性振动器或离轴角振动台可用于测量标度因子。

偏差（或加速度偏移量）是当器件不动并不受重力分量时测量的加速度值。偏差的特征有通电预热后的初始偏移量、短期和长期偏移、热灵敏度。通常通过在重力场中归零器件来测量偏差，然后精确地旋转敏感轴180°通过重力场，在此处的测量值两倍于偏差值。

线性度是在器件工作范围内对标度因子误差梯度的衡量。线性误差有多种形式，包括不对称、饱和度和整理现象。测量线性误差是通过在重力场或精密转台中使用模拟径向加速度进行多点翻滚测试。

轴较直测试是测量敏感轴和封装的物理参考特征之间误差。测量较直误差步骤通常不简单，因为它们涉及转台的对准和夹具误差知识。

离轴振动灵敏度造成测量误差会影响加速度计的动态性能。这些误差通常是很微小的，但是却可大大降低系统精度。测量离轴振动灵敏度是沿着非敏感轴通过线性或旋转振动来刺激器件，并监测敏感轴相关幅值信号。由于这是一个动态过程，振动测试允许其表征作为频率函数。

下图显示了一个加速度计的灵敏度和非线性度。加速度刺激（在±g范围）通过ACUTRONIC设备（倾斜轴、离心或角振动台）生成。测量的加速度计输出（Volts）进过线性拟合后绘制在下图中。

MIJ：MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的测试有什么区别？

Sascha：当MEMS加速度计静止时，MEMS元件也是静止不动的，但MEMS陀螺仪不同，通常含有振动的质量块，当通电时质量块是不断运动的，目的是形成科氏力所需的速度V。由于它的设计和小尺寸，MEMS陀螺仪对环境更加敏感，相比加速度计需要更复杂的测试。

MIJ：MEMS陀螺仪的测试种类主要有哪些？

Sascha：最重要的和最常见的性能测试是标度因子（偏移和灵敏度）、非线性误差、偏差、分辨率、灵敏度对温度漂移和灵敏度对加速度漂移。

陀螺仪的关键测试参数和加速度计测试参数是非常相似的，但是要测量的运动状态是不同的：加速度计检测线性位移（可用旋转运动模拟），而陀螺仪检测角运动。因此，测试设备上的传感器放置方向不同，下图是测试加速度计和陀螺仪的示例。

左图：通过倾斜Ө来测试安装的加速度计；右图：通过旋转Ф来测试安装的陀螺仪 

MIJ：基于MEMS传感器组合或惯性测量单元（IMU）的主要测试类型有哪些？

Sascha：要测试一个MEMS传感器组合或基于MEMS的惯性测量单元（其中包含3个正交组装的MEMS加速度计和3个MEMS陀螺仪），重复我上面提到的测试是必须的，因为惯性MEMS价值链的每个阶段都会产生更多潜在的故障需要检验。

对于多轴惯性传感器，无论是单芯片组合或是一个多传感器集成器件，交叉轴灵敏度特性也需要测试。这通常是在标度因子测量期间用同时测量的所有轴的数据计算得到的。

MEMS惯性传感器的各种应用和惯性测量单元的性能要求造成评定和特性测试要求不标准，因此对于测试设备制造商来说，这是一个挑战。

MIJ：总的来说，对于MEMS测试，什么是最大的挑战？

Sascha：最令人吃惊的是测试时间，基本上是所涉及温度的结果。梯度本身是没有问题的，但是预备时间和稳定时间是个问题。

MIJ：你遇到的其他挑战有哪些？

Sascha：在不断发展的MEMS产业中，MEMS惯性传感器是首先出现实用器件的。尽管如此，MEMS惯性传感器远未成熟，因为它们还需继续应用到许多商业和军事发展项目中。许多拥有专业设计和制造能力的团队已经生产了各种MEMS传感器，接下来将接受测试环节（测试标准和测试设备）的挑战。即使那些拥有传统惯性器件测试经验的组织也无法通过经典的运动仿真来评估器件，所以他们也正在解决测试MEMS传感器特性所遇到的问题。

自检能力在低端商用器件的筛选和可靠性测试中发挥了重要作用，然而，惯性传感器的物理测试在研发阶段和为生产的器件性能测试一直都是需要的。

惯性MEMS测试的最关键挑战是研发硬件运动平台和测试协议，这些工具可帮助提供惯性MEMS研发人员快速对MEMS器件进行准确评估，它们适用于产品研发和生产测试。大批量制造商和初创公司或大学的需求不能以相同的解决方案来满足。因为没有“一刀切”的惯性MEMS测试解决方案。

MIJ：什么是最行之有效的MEMS测试方法和类型？

Sascha：测试的方法和类型通常由最终的基于MEMS传感器系统应用来确定，并依靠不同标准（JEDEC和SEMI、IEEE、MIL等）。一个成功的MEMS制造商只有一个或几个不同传感器芯片（die）被用于各种应用中。这种传感器die是要与ASIC相结合来实现其目标应用。不同应用所需的测试是不同的，很有可能不能在同一运动系统中测试。随着MEMS技术的进入更多新的应用领域，测试系统的步伐却很难跟上。并且惯性MEMS对环境更敏感。