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

一个简单的实现方法是为每个被测试的设备使用一个专用的数字仪器，这才满足为每个设备隔离I²C总线的要求，但是这种“蛮力”方法的成本将超过整个系统预算。因此设计了一种利用开关或多路复用的数字接口实现每个DUT通过专用的I²C总线进行通信，从而最大限度地减少数字仪器资源。基于成本、通道密度和易用性，该方案选择的仪器是Marvin Test Solutions公司的 GX5295 数字 I/O 板卡。

GX5295板卡单槽为有32个通道，每个pin支持PMU，深度缓存以及一个强大的API函数库。GX5295支持并行测试8个设备，不会出现从地址冲突问题。通过整合8:1的多路复用开关，可以使GX5295板卡一次测试64个设备中的其中8个，且避免了从地址冲突。这种方法使得一个价格不昂贵的GX5295在分配好的时间预算下测量一个64站点的负载板。并且，由于GX5295支持多仪器同步扩展，在512台设备上进行测量的时间与在64台设备上进行测量的所花费的时间相同。

系统扩展只需添加额外的GX5295板卡、负载板、槽位以及ITA电缆，最多可达8套。(512 个DUTs)。

负载板

负载板的密度设置为64个设备(如图2)。由于上面解释的原因，这为系统扩展提供了一个自然的粒度。为了简化系统/DUT接口，将mux开关装置放置在负载板上，消除了外部开关和相关电缆，同时保持了良好的信号完整性。

负载板包括64个三色led，用于直观地指示每个DUT的通过/失败状态。LED电源包括一个电池备份，这样即使当负载板从系统中移除时，视觉上的通过/失败状态仍然保持——这对于操作者手动移除和添加设备是非常必要的。在测试过程中，负载板上的充电电路可以保持电池处于关闭状态。

由于I²C接口是开路集电极，因此需要外部上拉电阻才能工作。这些电阻干扰PMU接触测试，以确定适当的DUT插入插座--电流通过上拉电阻淹没ESD二极管的测量值。因此，在进行接触测量时，需用Vcc控制的上拉继电器将上拉电阻与Vcc进行隔离(如图3)。

负载板控制

价格不贵的MTS GX5733是一个静态数字I/O模块，可用于控制负载板上的所有功能（I²C MUX，三色LED和Vcc上拉隔离继电器）。为此开发了一种简化的负载板控制驱动程序。

PXI机箱

PXI机箱选用的是MTS GX7305大功率机箱。机箱可提供20个PXI-1(非PXIe)插槽--一个槽位是MXI远程控制器槽位，另外19个槽位是用于设备槽位。机箱超过了PXI最低规格的功率传输和冷却能力，并且包括背板电压和槽位温度监测的功能。

接口测试适配器( Interface Test Adapter, ITA)

为GX7305的前面板设计的专用ITA，允许在测试系统资源和加载板之间进行简单、干净的布线。PXI仪器线缆和外部E36313A电源线与ITA背板的连接器进行适配，当铰链面板关闭时，连接器是隐藏在内部的。ITA的前面板有连接到负载板的线缆、质量流量控制器和排气阀的连接装置（如图4）。

图5详细描述了测试系统资源和相关的ITA结构框图。

气体控制

为了精确控制气体对DUT的曝光量，专门设计了一个封闭的环境(chamber)来容纳负载板，并将测试气体限制在一个有限的空间内。通过质量流量控制器(MFCs)将气体引入到这个封闭的空间中，质量控制器测量洁净干燥空气、湿化空气和测试气体，允许它们精确地混合，以达到所需的气体密度(单位为百万分之一)。还为每个chamber提供了一个单独的MFC，以便测量混合气体到封闭室的控制体积。MFC的控制是使用GX5295的J3连接器上的外部PMU通道来执行的。

测试完成后，使用排气阀将测试气体从负载板的封闭室内排出。排气阀是通过电磁阀进行操作，所需的电源由E36313A电源供给，控制是通过ITA上面的12V的开关继电器进行控制。

软件

控制系统的软件是使用的ATEasy 10。软件控件的编写方便了后期系统的扩展。ATEasy支持多线程应用。对于每个GX5295/负载板 /chamber（封闭室），ATEasy实例化一个单独的线程来处理测量数据并生成数据日志报告。ATEasy测试应用程序可查询系统中安装的GX5295的数量（每64个站点的负载板对应一个GX5295），然后为每个负载板动态分配一个线程。处理所有线程中共有的线程，如：初始化每个负载板上并行运行的数字测试模式，方便使用线程进行同步。

ATEasy测试应用程序中的驱动包括GX5295、GX5733、Keysight 电源模块、GX7305机箱控制器以及一个用于管理数据日志记录的Excel电子表格驱动程序。在GX5733静态数字设备上构建了一个MOX驱动程序，用于简化对负载板的控制。

交付的包中包含用于高级创建I²C总线模式、连接和加载I²C总线序列以及下载捕获的I2C总线流量进行诊断和分析的工具。将数据记录到Excel电子表格中可以方便地使用Excel的所有高级数据分析工具，如图形、过滤器和公式的应用。

与DUT的通信是通过I²C总线完成的。如上所述，每个设备都预先配置了相同的I²C从地址。如果所有DUT都驻留在同一个I²C总线上，那么在进行测试之前，需要用唯一的从地址对每个设备重新编程，以避免总线冲突，然后将从地址重新编程为默认值，以便交付给客户。使用每个设备的专用总线允许发生在该默认地址上的所有通信，节省了时间和金钱，也可以避免潜在的认为错误。一个独立的GX5295有32个I/O通道可以允许8组I²C总线同事进行通讯，而无须考虑地址冲突问题。

I²C测试模式是通过一个用ATEasy编写的简单应用程序生成的（如图6）。总线命令是使用预先定义的总线命令的下拉菜单构造的，用于对设备寄存器进行读/写操作。空闲命令还允许在需要空闲时间的命令之间插入空闲时间，或者作为数据模式中的可视分隔。

基于测试流程的需求，需要对单个设备生成一系列的命令。然后使用用于生成和诊断GX5295数字测试模式的工具DIOEasy(如图7)，将单个(四线)总线控制复制到GX5295支持的其余7个总线上。每个测试进程都被写为一系列独立的测试序列，所以可以以任何想要的顺序进行组合。

执行这种组合的ATEasy包含一个离线实用程序，它可以生成一个大型的测试文件，在系统初始化期间快速加载到测试硬件中。为了帮助调试和诊断，也将生成一个文本文件，其中会标识加载测试的顺序、他们的初始向量地址和每个模式序列中的模式大小。

在测试执行期间记录每个引脚的状态。测试完成后，实际的总线流量(命令和DUT响应)可以从硬件上传到DIOEasy，允许用户评估和/或记录I²C总线通信。

测试过程

Continuity 连续性

每个GX5295 I/O通道提供的每引脚PMU功能用于对通过每个DUT的ESD二极管产生一个小电流，测量二极管上产生的电压降，以确定DUT是否正确安装在其插座中。在此之前，需要启用上拉隔离继电器，因此流经I2C上拉电阻的电流不会破坏连续性测量。设备根据PASS/FAIL状态分类。任何具有FAIL容器状态的设备都会绕过未来的测试评估。

Sensor Initialization 传感器初始化

在将DUT暴露于测试气体并测量MOX电阻之前，必须初始化传感器。初始化读取相关的NVM（非易失性存储器）数据并存储它以用于将来的数据关联。它还根据存储的加热器电阻和当前腔室温度动态计算每个DUT的最小和最大允许MOX电阻值。这些值被存储以供将来使用。气体测试将在确定好/坏设备时使用这些值。

Gas Measurement 气体测量

气体测量测试是MOX气体传感器生产测试的核心。一旦初始化，所有室内的所有装置都暴露于“干净/干燥空气”（CDA），“加湿空气”（通过起泡器运行CDA-BBL）和“测试气体”的受控混合物中。使用可编程质量流量控制器MFC精确控制气体混合物（PPM）。三个MFC中每一个都是通过0V-5V的应用程序进行控制，分别表示占额定流量的0%-100%。每个腔室/负载板中包含第四个MFC。MFC控制电压由GX5295s的J3连接器上的辅助PMU通道提供。

在气体测试期间，测试气体的浓度和每个特定浓度的暴露时间由“浸泡列表”定义。浸泡列表包含三种气体的设定点，以及在移动到列表中的下一个设定点之前保持该浓度的持续时间。在规定的时间段结束时，进行MOX测量，与先前计算的MOX最小/最大值进行比较并记录。其它分箱设置类似。

为了简化浸泡参数的应用，在ATEasy中创建了一个表单(图8)，允许工程师使用GUI创建浸泡列表。可以添加、插入、修改和删除设置点。在执行过程中，GUI会突出显示测试过程在列表中的位置，为操作人员提供测试运行了多长时间，以及完成测试需要多长时间的指示。

在运行浸泡列表时可以启用的一个可选参数是进行中间MOX测量——在浸泡列表设置点之间进行测量。通过在漫长的测试中记录这些额外的测量值，提供MOX操作的其它特征数据。数据日志记录的“Off”选项，仅在设置点进行测量，每分钟测试“2”、“4”、“6”测量值。中间测量值保存到Excel数据日志文件中，但不用于评估通过/失败状态。

Pre-Initialization预初始化

设备由合同制造商(CM)提供，设备的非易失性存储器(NVM)中已经存储了一些信息，如产品ID、相关跟踪号、加热器电阻和测量电阻的环境温度、从地址等。预初始化测试允许工程师用新数据覆盖NVM。这不是在生产过程中使用的正常测试过程。相反，它常常用于让工程师在设备上运行特性测试，并完全控制所有DUT参数。

Sensor Aging 传感器老化测试

传感器老化测试也不是常规生产测试的一部分。它常常用来表征模拟老化过程下的MOX特性。老化测试将CDA运行到加热器温度延长的部件上，用户定义1分钟的循环次数。在此过程中收集分析数据，在老化试验结束时进行正常气体试验，记录MOX特征。

DUT Polling  DUT轮询测试

在运行气体测试、传感器老化测试等测试过程中，利用微控制器执行和控制的测试序列表对DUT进行编程。在此序列表执行期间，除了轮询寄存器外，DUT寄存器不可用于访问。轮询寄存器在表序列执行期间更新，测试系统可以查询轮询寄存器，以确定序列表是否已完成，或者序列中的当前表是否正在执行。由于许多MOX测试(每个使用序列表的进程)都需要轮询，因此轮询被实现为一个子例程，在需要时可以调用它。执行序列表所需的时间可以根据测试需求(表中的步骤数和每个步骤的延迟参数)而变化。为了向操作员提供序列执行的状态，创建了一个运行时间表单(图9)，以提供剩余时间的可视化反馈，以完成序列表。

DUT Status  DUT状态测试

和DUT轮询测试类似，DUT状态测试由多个测试进程查询，并作为子例程实现。状态指示DUT的健康状态——具体地说，如果最近发生了电源复位。POR位在设备的功率中断或重启时进行设置。读取POR状态将重置位。如果显示为POR，就意味着许多测试将不能正常工作，或者被认为是无效的。

Chamber Characterization 腔室特性分析

验证测试系统有效性最有挑战性的其中一方面是表征测试气体在燃烧室中的分布情况(图10)。最初的概念是将气体引入负载板的四个角落，假设随着时间的推移，气体将混合并均匀分布在腔内。但试验证明，这种气体“在浸渍表规定的时间内不会在室内达到均匀浓度”。增加测试气体的流速和延长浸泡时间都被认为是对这一缺陷的一种弥补，但最终分别被认为在气体利用和测试吞吐量方面过于昂贵。

后来通过大量的流体模拟实验，证明了一种改进型歧管方法产生接近理想气体分布。气体直接在DUT插座上方四个点通过一个小体积流形管被引入。每个插座上方的管汇上的针孔直接将测试气体的集中流输送到每个设备。在不影响测试吞吐量的情况下，使用最少测试气体的最终结果接近最佳性能。腔室的设计将被修改，并将这些发现应用到生产系统中。

总结

总而言之，测试系统要求的每个标准都达到或超过了。

解决方案必须具有较低的成本。基于PXI形式，一个创造性的硬件和软件的结合实现，使得成本远远低于传统半导体测试系统成本的1/5。

系统需要支持非常大的并行测试能力。站点数量可以从64个站点扩展到512个站点，每次增加64个站点。在这些容量下，整个测试周期为35分钟，每个设备的吞吐量仅为4秒多一点。进一步优化测试代码、气体流量、浸泡时间和通过/失败参数的优化将推动每台设备的测试时间。

操作人员需要一种方法来直观地识别并手动按照需要将passing和failing组件放回箱中。带有电池备份的测试状态LED为操作者提供DUT站点通过/失败的可视化指示(图11)。

所有的测量都需要在一秒内完成n次。64个位点的MOX电阻测量时间是在小于800ms的条件下测量的，由于GX5295数字测试仪器的并联运行，将位点数扩展到512不会明显增加测量时间。

这个系统需要是可扩展的。站点计数可以以64个站点的增量从64个站点扩展到512个站点。

可将IC总线隔离到每个设备。每个DUT套接字都有一个用于编程和读写寄存器的独立IC总线，以8×8矩阵(8组8个DUT)的形式访问。

提供PMU/每针脚的功能。GX5295的标准配置具有每个针脚的PMU功能，以及4个一般应用的另外的PMUs。PMU提供了一个执行接触测试的简单方法，额外的PMU专用于MFC控制，有助于降低系统成本，消除额外的硬件。

与MOX气体传感器测试相关的特殊需求带来了独特的挑战。特别是，这些设备所要求的大测试“停留”时间要求一种不同类型的测试方案—该方案要求很容易进行扩展，具有非常大并行测试能力，同时成本明显低于传统的“big iron” ATE解决方案。如上所述，基于PXI的解决方案，是基于现成的硬件和软件的方案，可实现最佳的测试效果—可实现高吞吐量，并且成本适中。（译者：广州虹科电子李婷婷 原文：Marvin Test Solutions）

关键词:传感器 测试方案 MOX气体传感器

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来 源：虹科电子

编辑：清风

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