专利名称：一种电热式微镜的自动测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种电热式微镜的自动测试系统。
背景技术：
微机电系统(Micro-electro-mechanicalsystems,简称 MEMS)是利用微加工技术制造出来的三维装置，至少包括一个可运动结构满足某种机械作用。MEMS器件由于借鉴了集成电路的エ艺因此应用于很多不同的领域。本世纪越来越多的传感器和执行器都倾向于米用MEMS技术,其中微机电系统微镜就是其中一个绝佳的例证。微机电系统驱动结构产生的カ很小，但足以驱动镜面使其发生偏转。在众多MEMS微镜中电热式微镜是ー款依靠热形变使镜子偏转的微机电系统。电热式微镜系统主要包括镜面、支撑臂和驱动臂三个部分，其中驱动臂就是依靠电热效应产生形变驱动镜子偏转。电热式微镜自动测试控制系统，利用外部电路系统和电动位移平台来測量圆片裸芯的性能状况，通过系统驱动将芯片的整体情况显示到电脑软件上，同时进行相应的存储记录。电热式微镜自动测试控制系统操作简单方便，在批量测试裸芯的步骤上大大缩减了工程时间。尤其是在芯片使用前的阶段对芯片整体性能进行测试，对芯片下一歩的使用提供了有力的保障。虽然在微机电系统微镜领域已经有ー些较为成熟的自动测试控制方案，但是在电热式微镜领域尚未有自动测试控制系统的方案，尤其是针对小芯片，低成本，可靠性较高的方案。
实用新型内容本实用新型目的在于提供一种针对小芯片，低成本，可靠性较高电热式微镜的自动测试系统及方法。本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案—种电热式微镜的自动测试系统，其特征在于包括电动位移平台、电热式微镜测试的针头、数据采集系统、电热式微镜自动测试控制系统光路；所述电动位移平台用于放置电热式微镜裸芯圆片，并可以带动圆片在X、Y、Z轴方向上移动；所述电热式微镜测试的针头用于接触电热式微镜的焊盘，测试电热式微镜驱动臂的阻值；所述数据采集系统用于采集电热式微镜驱动臂电阻信号、位置敏感传感器输出的图形信号，控制电动位移平台移动，驱动电热式微镜扫描；所述电热式微镜自动测试控制系统光路用于将入射激光经电热式微镜反射到屏幕上和位置敏感传感器上，其光路设计如本公司专利“一种微镜图形扫描机构”申请号201110377691. 3 所示。其进ー步特征在于所述电热式微镜的焊盘分为上下两行，共五个焊盘；所述测试针头主要采用固定夹具、弹簧针和外界电引线组成，整个测试针头的固定夹具采用激光打孔，孔的排列顺序和焊盘排列相同，将弹簧针穿过夹具孔滴胶固定好后，向夹具内腔浇注凝固肢体，使其密封填满，露出的弹簧针的末端焊接导线连接出来。进ー步的数据采集系统包括中央处理器、模数转换模块、数模转换模块、信号整形模块、电动位移平台控制模块、电阻采集模块、USB通信模块和安全保护模块；所述中央处理器主要负责数据的整体处理，执行整个控制系统的算法运行；所述模数转换模块用来转换位置敏感传感器输出的模拟信号，用于监控扫描圆形时微镜的运动情况；所述数模转换模块用于输出模拟信号控制微镜扫描； 所述信号整形模块用于对数模转换模块输出的信号进行整形处理，处理后的信号符合驱动微镜信号的属性；所述电动位移平台控制模块，主要用来控制平台步进量和针头停留时间；所述电阻采集模块用来检测微镜四个电阻的阻值，以此标定微镜是否为良品;USB通信模块用来控制中心与电脑之间的通信，系统控制软件通过USB通信方式发送指令控制整个硬件模块的工作；所述安全保护模块是防止上电与掉电瞬间浪涌信号对微镜的冲击。—种电热式微镜的自动测试方法，包括电热式微镜良品率的测试、电热式微镜的老化测试和光扫描测试、电热式微镜属性测试；I)所述电热式微镜良品率的测试步骤为将整板的电热式微镜裸芯圆片放置在电动位移平台的卡板上，根据平台标记纠正好圆片的角度，用镂空盖板盖住圆片，使圆片固定良好；移动X轴和Y轴的电动平台，将测试针头移到预设微镜的下方，移动针头沿Z轴方向向下，通过摄像头软件对准针尖与焊盘的位置，读取该电热式微镜的驱动臂阻值，当电热式微镜的四个驱动臂阻值均存在吋，记录此时的X、Y、Z的坐标值，并将此值作为原点；根据电热式微镜的尺寸在电脑控制软件界面上设置X轴、Y轴平台的步进量和Z轴平台的抬起高度，启动电动位移平台，依次记录下每个微镜对应的坐标和电阻，当微镜的电阻值出现异常时记录此时的电热式微镜为次品，记录当前次品坐标，在显示软件版图上以红色标记；将每一次采集到的芯片阻值存储，直至将设定数量的电热式微镜全部测完，根据软件上的存储数据计算出所测的圆片上微镜的良品率；2)所述电热式微镜的老化测试和光扫描测试步骤为将电动位移平台翻转90度，安装到测试光路中，依照步骤I)固定好原点，设置好步进量，设置Z轴点击到微镜上的停留时间即老化时间，将激光打到微镜上后，上位机软件输出老化测试信号，观察屏幕上的图形是否有标准的圆形输出，同时位置敏感传感器(PSD)采集到扫描的圆形，将其拆解为两路正弦波信号，通过模数转换电路将正弦波采集到电脑的软件中，电脑软件时刻监控这两路信号的相位差，并将相位差的值存储实时显示为一条曲线，当测得的相位差90°并且在测试时间内相位差曲线没有波动表明此微镜为优品，可用作工程使用；3)所述电热式微镜属性测试微镜的属性测试分为三个部分，本系统将三个属性的测试集成到一起，首先微镜的偏转角度与电压关系的测试是由软件控制启动，由电路系统输出步进电压可调，输出频率可调的台阶电压；此时在位置敏感传感器的输出端会有对应的ー组电压输出，代表屏幕上的激光反射后显示的实际坐标点，依次记录存储相关数据，并自动拟合出所加载电压与偏转角度的关系曲线；延时特性的测试和谐振频带测试可同时进行，由软件设置输出波形的频率特征值后，电路系统输出频率步进的正弦波电压，位置敏感传感器反馈的信号与所加信号进行相位比较，软件自动记录相位差并准换计算成延时时间，同时拟合出不同频率下的延时特性曲线；谐振频带为位置敏感传感器输出的信号由正弦波变成畸形波形时的频率开始算起，直到畸形波形变回正常的正弦波时的频率为止，截止频率与起始频率之间的频带即为谐振频带。上述系统软件包括圆片的版图导入和显示功能，电动位移平台參数的设置功能，微镜测试数量设置功能，数据存储功能，參数计算功能，次品标记功能，光扫描控制功能，微镜属性测试功能；圆片的版图导入和显示功能用来测试时显示当前测试微镜在整板圆片中的位置，当测试出次品时自动记录位置，并标记出顔色； 电动位移平台參数设置功能主要用于设置电动位移平台的X轴、Y轴、Z轴的坐标、Z轴平台停顿时间和电动平台偏移量；测试数量设置用于测试整个原片上的部分芯片或用于抽测时使用；数据存储功能主要用于存储需要记录的信息和需要计算的数据；參数计算功能主要实现良品率的计算和位置敏感传感器两路信号相位差的计算，次品标记功能可以将圆片上的次品位置在软件版图上记录下来；光扫描控制功能用来筛选优良微镜，通过监控扫描圆形的形状判断微镜的品质；在上一歩的基础上使用微镜属性测试软件可自动测试微镜驱动电压与偏转角度的关系、微镜的延时特性和微镜的谐振频带。本实用新型具有下述优点I、批量测试电热式微镜、效率高、准确率高、便于统计数据。2、软件设置自由，步进量可调，可针对微镜进行抽样测试。3、成本低，容易实现。4、光路元件较少，实现简单，实用性强，可集成化。5、可对芯片使用前进行老化和光测试，提高下一歩使用前的稳定性。6、外围控制电路简单，容易重复实现。7、通过电脑软件与电路系统的通信，将数据上传至上位机软件进行计算，直观方便。8、使用相位监控和数据统计功能，实现微镜扫描时优良情况的监控。9、软件设计灵活，可实时监控，数据存储和调用方便。10、针头设计简单，重复性好，用电条件宽松，可以拆解更换，便于不同版本微镜的测试。11、电动位移平台设计灵活，可翻转使用，针头可更换拆解，自由度大，可针对整板圆片进行抽测。12、可用作批量芯片的属性测试，包括电压与偏转角度的关系，延时特性和谐振频带的测试，整个过程更加自动化。
图I为本电动位移平台结构简图；图2为电动平台俯视图及微镜单元示意图；图3为针头结构示意图；图4为系统结构示意图；图5为微镜驱动臂电阻测量方法示意图；图6为光扫描测试原理图；图7为微镜属性测试示意图； 图8为偏转角度与驱动电压关系示意图。图中I. Z轴电动平台；2.微型摄像头；3.针头；4.镂空盖板；5.透明底板；6. X轴位移平台；7. Y轴位移平台；8.基座；13.焊盘；14.微镜镜面；15.弹簧针；16.固定夹具；17.针头固定座；18.电引线；19.安全保护模块；20.数模转换模块；21.电源模块；22.中央处理器；23.通信模块；24.信号采集模数转换模块；25.激光光源；26.位置敏感传感器；27.第一分光镜；28.第二分光镜；29.坐标屏幕；30.电动位移平台；31.信号整形模块；32.微镜圆片单兀。
具体实施方式
—种电热式微镜的自动测试系统，包括电动位移平台、电热式微镜测试的针头、数据采集系统、电热式微镜自动测试控制系统光路。如图I所述电动位移平台用于放置电热式微镜裸芯圆片，并可以带动圆片在X、Y、Z轴方向上移动。平台包括基座8、X轴位移平台6、Y轴位移平台7、Z轴位移平台1，Z轴位移平台I上设置有微型摄像头2和针头3。放置在电热式微镜裸芯圆片X轴位移平台6上的透明底板5上，上面在盖有镂空盖板4。所述电动位移平台设置在基座8上。所述电热式微镜测试的针头如图3所示用于接触电热式微镜的焊盘，测试电热式微镜驱动臂的阻值；所述电热式微镜如图2所示，包括微镜镜面14和焊盘13，焊盘13分为上下两行，共五个；所述测试针头主要采用固定夹具16、弹簧针15和外界电引线18组成，整个测试针头的固定夹具16采用激光打孔，孔的排列顺序和焊盘排列相同，将弹簧针15穿过夹具孔滴胶固定在好后，向夹具内腔浇注凝固胶体，使其密封填满，露出的弹簧针15的末端焊接导线连接出来。固定夹具安装在针头固定座17上。所述数据采集系统用于采集电热式微镜驱动臂电阻信号、位置敏感传感器输出的图形信号，控制电动位移平台移动，驱动电热式微镜扫描；如图4所示数据采集系统包括中央处理器22、信号采集模数转换模块24、数模转换模块20、信号整形模块31、电动位移平台控制模块、电阻采集模块、USB通信模块和安全保护模块19 ;所述中央处理器22主要负责数据的整体处理，执行整个控制系统的算法运行；所述信号采集模数转换模块24用来转换位置敏感传感器26输出的模拟信号，用于监控扫描圆形时微镜的运动情况；所述数模转换模块20用于输出模拟信号控制微镜扫描；所述信号整形模块31用于对数模转换模块20输出的信号进行整形处理，处理后的信号符合驱动微镜信号的属性；所述电动位移平台控制模块，主要用来控制电动位移平台30步进量和针头3的停留时间；所述电阻采集模块用来检测微镜四个电阻的阻值，以此标定微镜是否为良品；USB通信模块用来控制中心与电脑之间的通信，系统控制软件通过USB通信方式发送指令控制整个硬件模块的工作；所述安全保护模块19是防止上电与掉电瞬间浪涌信号对微镜的冲击。所述数据采集系统通过电源模块21进行供电，通信模块23与系统软件进行通信。所述电热式微镜自动测试控制系统光路用于将入射激光经电热式微镜反射到屏幕上和位置敏感传感器上。系统光路搭建的方法和尺寸的设计如图4所示，第一分光镜27将激光光源25发射出的一束光打到微镜上，最重要的是激光与微镜的镜面要保持严格的垂直关系。由于微镜受到驱动电压的驱动镜面发生角度偏转，光束会通过第一分光镜27达到第二分光镜28上，第二分光镜28将光束分成两束，一束打在位置敏感传感器26上，一束打在坐标屏幕29上。第一分光镜27距离微镜的距离要保持最近距离，第二分光镜28位置要保证第一分光镜27射出的光线打在第二分光镜28上时既能严格垂直的打在位置敏感传感器26上，又要保证光线不会偏离分光镜面。坐标屏幕29和位置敏感传感器距离第二分
光镜28的距离要尽量远ー些，尽量用满量程的范围测量数据，以保证微镜偏转角度与驱动电压关系建立时的高分辨率。微镜圆片单元32设置在电动位移平台30上，由其带动，检测姆ー个微镜圆片单兀32。如图I所示将整板加工后的裸芯圆片，放到电动位移平台上，根据平台上的标记纠正好圆片的方向，盖上镂空盖板4。移动Z轴位移平台I至预设的测试起点，将测试针头3压下，观察软件上显示的四个电阻值，如果四个电阻值均存在，说明接触已充分，记录并存储此时的X轴、Y轴、Z轴的坐标值，将其设置为坐标原点。设置位移平台的偏移量及芯片測量数目，点击软件启动项，启动位移平台进行良品率的测试。测试完毕后软件自动关闭平台，将所记录的数据存储统计，最終计算出良品率的值。将电动位移平台翻转90度，将平台置于图4所示光路中，设置老化时间，将激光打在起点的芯片上，通过测试针头给芯片加载圆形扫描信号，扫描信号由电路系统提供，由软件控制输出波形的频率和幅度。观察屏幕29上的图形是否为标准的圆形，同时观察软件上相位监控的曲线是否为直线，如果是直线表明输出的圆形为标准圆形，此芯片扫描情况较好。依次测试设置数量的芯片直至完毕，统计并存储扫描情况较好的芯片数量。微镜属性测试，首先设置输出的波形为频率可调的步进电压台阶波形，位置敏感传感器测得的值自动存储后，软件拟合出所加电压与偏转角度的关系曲线。延时特性与谐振频带的测试需要软件设置输出频率步进的正弦波信号，软件读取位置敏感传感器输出的信号频率，自动换算出延时时间和波形畸形时的频帯。电热式MEMS微镜主要是驱动臂通过不同材料电热效应发生形变产生应カ带动镜面偏转。每个微镜有4个完全相同的驱动臂，当加载电压值为U的电压时，在驱动臂上产生的热量会产生热膨胀，形变导致驱动臂产生应力驱动镜面偏转。自动测试系统是针对批量电热式微镜的测试而设计。整个系统分为硬件和软件两大模块，主要实现的功能是微镜良品率的测试，光扫描测试，属性测试三大部分。微镜良品率测试工作原理是根据微镜的电阻特征来判断，一个微镜是否为良品，以微镜四个驱动臂是否均有电阻，并且电阻的最大值与最小值相差不超过100欧姆来判断。系统硬件电路采用四路标准的电流源器件输出电流均为I的信号加载到微镜的针头上，针头上的5个针脚接触到焊盘后，在微镜电阻端会有电压输出，经过放大、模数转换处理后电路系统通过串ロ通信的方式将数据传给电脑，电脑软件进行数据存储，如图5所示。所测微镜电阻Rm=U/A/I。式中A为微镜电阻两端电压的放大倍数。光扫描测试用于微镜老化和扫描情况的检测，所根据的原理是微镜扫描圆形图案，圆形越标准，代表微镜四个驱动臂的均匀性越好，微镜经过长时间机械运动老化后圆形扫描的越好代表微镜性能越稳定。检测圆形的扫描情况原理是根据位置敏感传感器上扫描的圆形图案光电转换后，拆解为两路正弦信号，这两路信号的相位差为90°，当扫描的圆形不标准时，相位差不等于90度。具体原理如图6所示微镜的属性测试方法原理，如图7所示。微镜加载电压与偏转角度的关系测试，选择台阶波形，波形电压的步进量和步进时间可通过软件设置，范围在(T4V之间。当信号每步进一次，反射光点就会跳变一次，位置敏感传感器的输出XY的坐标值就会跟着变化一次，数据采集系统记录并存储一次。当电压值达到4V时，系统记录所有位置敏感传感器输出的坐标点的值，并与对应的加载电压值拟合成曲线关系图显示在软件上。具体计算过程如图8所示，微镜偏转角a =arctan (f/l)，f = UxXfO/Up，其中f代表微镜发射的光点在位置敏感传感器成像平面上的偏移量，I代表微镜与之间位置敏感传感器的距离，Ux代表·位置敏感传感器输出的电压，f0代表位置敏感传感器光电转换模块的边长，Up为位置敏感传感器满量程电压。延时特性和谐振频带的测试原理，是根据相位监控和波形监控。相位监控的对象是加载到微镜上的驱动电压和位置敏感传感器实际输出电压之间的相位，如图7所示，当正弦波驱动电压的频率由低到高变化过程中输出信号的频率会跟着同时变化，计算这两路信号的相位差可知不同频率下微镜的响应时间不同，即得出延时时间与驱动信号频率之间的关系。软件可以自动获取两路信号之间的相位差对应的时间为△ t，记录并存储后拟合出频率和相位差之间的关系曲线。谐振频带的测试通过波形监控进行实现，原理是微镜在谐振过程中，会进行不規律的扫描，位置敏感传感器读出的波形也为不规则的波形，软件将信号采集后自动监控输出电压的幅值，如果输出的电压超过软件设置的监控电压，说明在此频率驱动信号的驱动下微镜扫描时出现谐振，当波形幅值恢复到软件设置的监控区域内说明微镜在此处没有谐振，记录并存储这ー时刻对应信号的频率，计算出谐振的频带宽度，具体如图13所示，信号幅值处于监控电压的高点与低点之间是正常工作无谐振状态。当信号的幅值超过监控电压的高点甚至出现消顶或低于监控信号低点时，微镜即为工作在谐振状态下，当信号的幅值低于极限工作频率点的监控电压时，微镜无法响应，此时信号的频率即为微镜工作的极限频率。
权利要求1.一种电热式微镜的自动测试系统,其特征在于包括电动位移平台、电热式微镜测试的针头、数据采集系统、电热式微镜自动测试控制系统光路； 所述电动位移平台用于放置电热式微镜裸芯圆片，并可以带动圆片在X、Y、Z轴方向上移动； 所述电热式微镜测试的针头用于接触电热式微镜的焊盘，测试电热式微镜驱动臂的阻值； 所述数据采集系统用于采集电热式微镜驱动臂电阻信号、位置敏感传感器输出的图形信号，控制电动位移平台移动，驱动电热式微镜扫描； 所述电热式微镜自动测试控制系统光路用于将入射激光经电热式微镜反射到屏幕上和位置敏感传感器上。
2.根据权利要求I所述的ー种电热式微镜的自动测试系统，其特征在于所述电热式微镜的焊盘分为上下两行，共五个焊盘；所述测试针头主要采用固定夹具、弹簧针和外界电引线组成，整个测试针头的固定夹具采用激光打孔，孔的排列顺序和焊盘排列相同，弹簧针穿过夹具孔滴胶固定，向夹具内腔浇注凝固胶体，露出的弹簧针的末端焊接导线连接出来。
3.根据权利要求I所述的ー种电热式微镜的自动测试系统，其特征在于数据采集系统包括中央处理器、模数转换模块、数模转换模块、信号整形模块、电动位移平台控制模块、电阻采集模块、USB通信模块和安全保护模块； 所述中央处理器主要负责数据的整体处理，执行整个控制系统的算法运行； 所述模数转换模块用来转换位置敏感传感器输出的模拟信号，用于监控扫描圆形时微镜的运动情况； 所述数模转换模块用于输出模拟信号控制微镜扫描； 所述信号整形模块用于对数模转换模块输出的信号进行整形处理，处理后的信号符合驱动微镜信号的属性； 所述电动位移平台控制模块，主要用来控制平台步进量和针头停留时间； 所述电阻采集模块用来检测微镜四个电阻的阻值，以此标定微镜是否为良品；USB通信模块用来控制中心与电脑之间的通信，系统控制软件通过USB通信方式发送指令控制整个硬件模块的工作； 所述安全保护模块是防止上电与掉电瞬间浪涌信号对微镜的冲击。
专利摘要本实用新型公布了一种电热式微镜的自动测试系统，包括电动位移平台、电热式微镜测试的针头、数据采集系统、电热式微镜自动测试控制系统光路。一种电热式微镜的自动测试方法，包括电热式微镜良品率的测试、电热式微镜的老化测试和光扫描测试、电热式微镜属性测试。通过本实用新型的测试系统和方法能够实现自动测试微镜的良品率和自身属性。
文档编号G01M11/02GK202793736SQ20122030196
公开日2013年3月13日 申请日期2012年6月26日 优先权日2012年6月26日
发明者兰树明, 谢会开, 陈巧, 管帅, 王东琳, 傅霖来, 周亮 申请人:无锡微奥科技有限公司