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基于PXI 的金属氧化物(MOX)气体传感器测试方案


  来源: 虹科电子 时间:2019-12-25 编辑:清风
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测试背景


MEMS技术应用使得金属氧化物(MOX)气体传感器在晶圆级大规模生产中得以广泛应用,大大降低了硅晶圆制造的成本。这些气体传感器装置适用于一氧化碳(CO)和各种挥发性有机化合物(OCs),如:如乙醇、丙酮和甲苯的精确测量。出于健康和安全考虑,这些传感器的应用主要包括环境监测、生物研究、工业控制、便携式酒精测量仪和家庭空气监测系统。



MOX气体传感器采用MEMS技术,大大降低了制造成本。但是这些传感器也必须经过测试,这与典型半导体器件的制造和测试相比是一组独特的挑战。这篇白皮书介绍了一个半导体气体传感器制造商采用的基于PXI的集成化测试解决方案,该方案可提供测试所需的准确性,适应非常大规模的现场计数,并且在低成本的情况下可匹配高性能半导体测试系统的整体吞吐量性能。


MOX气体传感器介绍


MOX气体传感器是作为多芯片模块(MCM)制作的微机电系统(微机电系统)器件。MCM的基本组成部分是微控制器ASIC,在晶圆片上预测试,以及传感器本身。这些组件被放置在一个共同的基板上,盖子被放置在组件上,有一个小的孔或网,允许气体进入传感器,如下图。



该传感器由一个小型发热元件组成,该发热元件位于涂有专用金属氧化物材料的薄膜之下。MOX材料是一个可变电阻,对它所接触的气体中的化学物质作出反应。MOX可以被设计成对特定类型或类别的气体(称为目标气体)做出不同的响应。在真空环境中,MOX的阻力可以是几个MOhms。当加热时,在目标气体的存在下,MOX材料的电阻明显下降,下降到几十个KOhms。当应用的热量被消除,和/或测试气体被消除,MOX阻力恢复到以前的值。


由于实际应用中的热量,需要测量MOX涂层在真空下的电阻值,然后测量MOX涂层在空气中存在一定量的目标气体(以ppm测试)的情况下的电阻值,两者的比值作为校准设备的依据。在实际操作中,校准的MOX电阻测量是对环境中目标气体密度的指示。


对传感器加热器和MOX测量值的控制,就好比对设备寄存器的读/写,由控制器ASIC执行,而ASIC又由测试系统通过I²C接口进行控制。I²C接口是四线制总线,由两个I²C总线(SCL和SDA)、中断信号和复位信号组成。下图详细说明了MOX传感器MCM设备的组成。



测试系统需求


为了测试这些设备,测试系统需要具备以下功能和属性:


测试/校准MOX传感器的时间可能需要几十分钟。由于需要在真空和目标气体“浸泡”传感器,所以需要很长的“soak”时间。显然,使用大型、高性能的半导体测试仪,在soak期间需要闲置一段时间,这样不能有效的利用这些昂贵的资源。所以,解决方案必须具有较低的初始资本成本。


测试吞吐量很重要。由于驻留时间长,因此系统必须支持非常大的并行测试能力,这样才能将soak时间内分摊到多个设备上


DUT负载板必须位于一个可以对气体浓度进行精确控制的封闭环境中。这就排除了使用处理handler来加载和卸载设备,导致需要手动插入和删除设备的典型应用方法。因此,操作人员需要一种方法来直观地识别手工装订的传递和故障组件。


一旦达到了预期的soak时间,所有的测量都需要在不到一秒的时间内完成,以避免由于不同的浸泡时间而产生的结果偏差。


由于组件是一个新的设计,系统需要可扩展,因此测试容量会随着产量的增加而增加。


wafer级ASIC测试完成后,设备通过通用I²C从地址到达封装测试。系统需要有能力对每个设备的I²C总线进行隔离,从而消除了修改从地址进行测试的需要。由于加载板涉及到DUT的手动插入,因此在开始冗长的测试过程之前,需要一种测试方法来验证正确的组件插入。一个简单的接触测试实现了这一点,因此系统需要提供PMU/pin功能。


系统实现


架构


该方案选择的架构是一个基于PXI的混合(hybrid)系统,由PXI仪器和USB控制的外部仪器组成。注意,在这种情况下使用hybrid一词并不意味着PXI Express hybrid;PXI仪器均为标准PXI-1。在此文中,hybrid是指PXI和非PXI工具的结合。


电源


在正常或空闲状态下,设备的工作电流很低,但在测量过程中,实验表明,当传感器加热器被激活时,每个设备的涌流可能很高。为了支持大型多站点配置(最多512台设备),PXI power解决方案被认为是不够的,所以选择了外部Keysight E36313A电源。


数字仪器


关键词:传感器 测试方案 MOX气体传感器    浏览量:349

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