我們的世界對MEMS傳感器的需求變得越來越多。然而，目前芯片產(chǎn)業(yè)在大批量生產(chǎn)MEMS方面仍缺乏高效的測試技術(shù)。來自荷蘭茲沃勒（Zwolle）的MEMS測試廠商Salland Engineering公司希望在2020年能改變這一現(xiàn)狀。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，近幾十年來，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）已取得了矚目的成功。它在不知不覺中，穩(wěn)步地滲透到幾乎所有需要獲取環(huán)境信息的應(yīng)用中。

獨(dú)立可定制的MEMS傳感器已在一些高度專業(yè)化的應(yīng)用中使用。但在某些情況，該技術(shù)也可以集成到CMOS芯片中。這使得MEMS可以滿足最大的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場的高要求：小尺寸、低成本、增強(qiáng)功能。導(dǎo)航、高度測量以及運(yùn)動追蹤，所有這些都可以利用MEMS傳感器提供的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。

MEMS是典型的利基市場，Salland Engineering首席執(zhí)行官Paul van Ulsen表示樂意參與其中

MEMS技術(shù)不再局限于汽車行業(yè)。90年代，MEMS加速度計(jì)曾在汽車安全氣囊中大受追捧。如今，它們得到了更廣泛的應(yīng)用，比如：運(yùn)動、壓力、光、濕氣、聲音和超聲波等，所有這些都可以通過MEMS技術(shù)測量。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和大眾對環(huán)境和健康相關(guān)信息永無止境的追求，MEMS傳感器的需求與日俱增。研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測MEMS市場將在2019年至2024年期間實(shí)現(xiàn)顯著增長：市場營收的復(fù)合年增長率約為8.3%，出貨量的復(fù)合年增長率約為11.9%。其中，消費(fèi)類市場仍然占據(jù)最大的份額（超過60%）。（參考資料：《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2019版》）

挑戰(zhàn)

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由Salland Engineering舉辦的Salland MEMS研討會上，傳統(tǒng)的MEMS測試已達(dá)到了極限正成為大家的共識。Salland的測試專家們與國際MEMS專家們共同討論了下一代MEMS產(chǎn)品的趨勢、挑戰(zhàn)和解決方案。Nigel Beddoe是來自美國加州寶威（Poway）的MEMS測試設(shè)備廠商Cohu的專家，他說道：“隨著用于家庭健康監(jiān)測的便攜式應(yīng)用和系統(tǒng)的增長，現(xiàn)在MEMS技術(shù)的挑戰(zhàn)在于它的最終決定關(guān)乎人的生死。這意味著芯片的設(shè)計(jì)、封裝、最終測試和最終應(yīng)用者之間需要更加緊密的合作?！?/p>

Beddoe明確表示，Cohu在測試質(zhì)量和生產(chǎn)效率方面正面臨越來越多的技術(shù)限制。他解釋說，對于信噪比為70dB的最先進(jìn)的MEMS麥克風(fēng)，實(shí)際上還沒有好的測試方法，而目前信噪比為75dB的MEMS麥克風(fēng)已經(jīng)在開發(fā)中了。Cohu的測試機(jī)器可一次同時(shí)測試256顆大小為0.8 mm x 0.8 mm的MEMS元件。Beddoe告訴研討會的聽眾：“這確實(shí)是目前我們所能做到的極限了?！敝苯勇闫M裝的MEMS元件也越來越普遍。Beddoe說：“測試這些易碎的芯片級元件確實(shí)是很大的挑戰(zhàn)?！?/p>

Cohu在研討會上強(qiáng)烈呼吁：“芯片設(shè)計(jì)人員在繼續(xù)設(shè)計(jì)更小的MEMS時(shí)，并不關(guān)心在“24小時(shí)/7天”全天候大批量生產(chǎn)時(shí)如何測試它們。在設(shè)計(jì)評審期間，甚至在決定采用哪種封裝形式和如何給出正確的激勵測試前，大家應(yīng)當(dāng)坐下來一起討論?！盉eddoe指出，在保證測試規(guī)范所要求的準(zhǔn)確性方面，Cohu也在接近極限?！八?，在設(shè)計(jì)階段也需要考慮這些極限?！?/p>

基本工具

MEMS是典型的利基市場，即它需要快速測試解決方案來驗(yàn)證終端芯片。Salland Engineering首席執(zhí)行官（CEO）Paul Van Ulsen表示樂意參與到這個領(lǐng)域中。根據(jù)公司原型測試的結(jié)果，Van Ulsen表示：“我們有希望將測試的時(shí)間減少近一半?！痹谀承┣闆r下，測試時(shí)間甚至可以減少到很小?！斑@個月，我們已經(jīng)開始在驗(yàn)證客戶的芯片?！盫an Ulsen希望能夠在明年初交付硬件。

Salland Engineering致力于測試市場領(lǐng)域的創(chuàng)新。在新的芯片產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前，他們的專家已經(jīng)在與芯片制造商討論開發(fā)技術(shù)以在生產(chǎn)線末端驗(yàn)證其電路。

Van Ulsen不僅與半導(dǎo)體制造商打交道，還與Advantest、Cohu（前身為LTX-Credence）或Teradyne等自動測試設(shè)備（ATE）的供應(yīng)商交易往來。他們提供基本工具，包括信號處理和測試數(shù)據(jù)分析的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)。這些昂貴的測試單元使用期限可持續(xù)15到20年，但是由于技術(shù)開發(fā)的快速發(fā)展，它們需要不斷的技術(shù)更新，而這正是這家茲沃勒公司的專長。

Salland Engineering表示，他們現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好了電源、儀器模塊、測試程序、測試協(xié)議和接口硬件，用于實(shí)現(xiàn)MEMS的ATE設(shè)備擴(kuò)展。目前測試封裝好的MEMS器件的方法是使用物理激勵，例如，通過輕敲MEMS加速度計(jì)來測量其響應(yīng)。Salland Engineering表示，在很大程度上該方法可以用電信號測試來代替，用于測試晶圓級芯片。晶圓級測試可以在高度并行的情況下進(jìn)行，這大大提高了測試速度。

MEMS的主要挑戰(zhàn)是測量很小的電流和電容量來感知物理變化。無論如何，測量精度都需要大大提高。Van Ulsen說：“對于IC芯片，我們討論的是微安（uA）級，而在MEMS測試中，它的大小是皮安（pA）和飛法（fF），小了一千倍。此外，MEMS元件的尺寸有時(shí)還不到1平方毫米。它需要很多新技術(shù)來處理?！?/p>

兩種趨勢

加速度計(jì)是最常見的MEMS器件之一，其傳統(tǒng)形式是由懸掛在彈簧上的質(zhì)量塊組成。如果該質(zhì)量塊受物理激勵發(fā)生移動，其運(yùn)動或振動可以通過多種方式獲?。弘娙菔?、壓電式、壓阻式、熱式、光學(xué)式或隧穿式。MEMS設(shè)計(jì)人員的工具包似乎無窮無盡。

MEMS加速度計(jì)用在安全氣囊系統(tǒng)中已經(jīng)超過三十多年，但是如今，這些傳感器也可以用在無人機(jī)、游戲機(jī)、手機(jī)、運(yùn)動手表、GPS設(shè)備、醫(yī)療應(yīng)用等。MEMS已經(jīng)從獨(dú)立的器件發(fā)展到集成的六軸甚至九軸組合傳感器。

MEMS技術(shù)的進(jìn)步令人震驚，盡管最初的MEMS旋轉(zhuǎn)傳感器只檢測到1.5度的旋轉(zhuǎn)，但現(xiàn)在常見的是0.1度，而不久后將達(dá)到0.05度。陀螺儀和電子羅盤的應(yīng)用將受益于這種精度。MEMS氣壓計(jì)首次面市時(shí)精度在米級，現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是25厘米。對于MEMS麥克風(fēng)，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的信噪比為55dB，最高能到70dB，但對智能手機(jī)而言，75dB的MEMS麥克風(fēng)已經(jīng)在開發(fā)中了。

MEMS的發(fā)展主要呈現(xiàn)兩種趨勢。由于對小尺寸和低成本的要求，越來越多的MEMS技術(shù)被集成到芯片中，或者先進(jìn)封裝中。例如，博世（Bosch）推出了一款系統(tǒng)級封裝MEMS傳感器，其集成了14位的三軸加速度計(jì)、16位的三軸陀螺儀和三軸的磁力計(jì)，所有的這些元件再與32位微控制器一起封裝在大小只有5.2 x 3.8 x 1.1立方毫米的模塊中。（參考資料：《博世BMF055：9軸運(yùn)動傳感器+傳感器中樞》）

兩個步驟

大多數(shù)芯片制造商仍然使用機(jī)架和堆棧設(shè)備測試MEMS組件，即使用標(biāo)準(zhǔn)儀器自建單元以適當(dāng)?shù)乃俣葴y試傳感器。Cohu是少數(shù)可提供物理測試專用儀器的供應(yīng)商。Van Ulsen認(rèn)為Salland Engineering可以將最新的MEMS測試技術(shù)補(bǔ)充進(jìn)來?！拔覀兊哪繕?biāo)不僅僅是進(jìn)行MEMS的物理激勵，還包括電信號激勵?！?/p>

Van Ulsen預(yù)測，MEMS測試過程未來主要由兩個步驟組成。第一步，芯片制造商通過物理信號表征其器件，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)?！叭绻_認(rèn)設(shè)計(jì)是好的并了解傳感器的特性，那么在大批量生產(chǎn)中，您可以減少自己的工藝驗(yàn)證：是對還是錯？我們認(rèn)為，這完全可以在晶圓級以并行的電性測試方式進(jìn)行，或者很大程度上在元件封裝后進(jìn)行：以此決定這種芯片是否可以大批量生產(chǎn)，從而最終降低測試成本?！?/p>

Van Ulsen確信在MEMS世界，總有一些任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用需要進(jìn)行物理測試?！捌囆袠I(yè)需要100%的安全性，并且可能不會很快切換到單獨(dú)的電性測試?！暗牵词鼓蛔霾糠蛛娦詼y試和隨機(jī)的物理測試，也可以將測試時(shí)間減少一半甚至更多。”