压阻芯片批量测试装置及测试方法与流程

1.本发明一般涉及压力传感器测试技术领域，具体涉及一种压阻芯片批量测试装置及测试方法。


背景技术：

2.压力传感器是一种能够将压力信号转换为电信号的器件，可以分为压阻式、电容式、谐振式、压电式等四种主要类型。其中压阻式压力传感器具有稳定性好、制作成本低、与coms工艺兼容等特点，与其它三种类型的压力传感器相对比，压阻式传感器综合优势较为突出。据yole统计，2020年压阻式压力传感器占mems压力传感器市场的85％以上，可以应用于汽车领域、工业控制领域、消费电子领域、建筑领域以及医疗领域，是现阶段应用最为广泛的mems压力传感器。
3.压力传感器通常由敏感元件、处理电路及封装三部分组成，其中敏感元件是直接感受压力信号的结构，是整个传感器的核心器件，敏感元件的性能可由精度指标进行评价。精度是指测量结果与(约定)真值间的一致程度，精度的数值越低，代表测量结果与真值的一致性越好，敏感元件的性能也就越优异。精度是一个综合性指标，通常由迟滞性能、重复性能及非线性性能共同决定，其结果为三者平方和的平方根。
4.在测试迟滞性能、重复性能及非线性的过程中，需要对被测量压力传感器(或者敏感元件)同时进行加压、加电。压阻压力传感器的敏感元件通常制作在六寸或者八寸硅晶圆上，对硅晶圆上每个敏感元件单独进行加压、加电系统比较复杂，现阶段也无成熟方案，因此目前一般不对敏感元件的迟滞性能、重复性能及非线性进行测试，而是封装成压力传感器后测试迟滞性能、重复性能及非线性，如果发现压力传感器的迟滞性能、重复性能及非线性不合格再将产品剔除，会造成成本的大量增加，因此需要一种方法和系统能够对压力传感器的敏感元件的迟滞性能、重复性能及非线性进行测试。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种压阻芯片批量测试装置及测试方法。
6.第一方面，本发明实施例提供一种压阻芯片批量测试装置，包括：真空组件、压力组件、检测组件、密封腔室以及位于所述密封腔室内的检测台；
7.所述检测台，用于放置压阻晶圆，所述压阻晶圆包括多个压阻芯片；
8.所述真空组件，用于给所述检测台提供负压以使所述压阻晶圆吸附在所述检测台上，以及给所述密封腔室的内部提供负压或常压；
9.所述压力组件，用于给所述密封腔室的内部提供常压或正压；
10.所述检测组件，用于在不同压力下检测所述压阻晶圆中各个压阻芯片的中心变形量。
11.在一些示例中，所述检测组件包括：检测探头和驱动机构；
12.所述检测探头包括位移传感器和探针，所述探针的一端与所述位移传感器相连接，所述探针与所述位移传感器的连接处设有弹簧以使所述探针的另一端与放置在所述检测台上的压阻晶圆保持接触；
13.所述驱动机构用于带动所述检测探头沿预设扫描轨迹移动，所述预设扫描轨迹覆盖所述压阻晶圆上的所有压阻芯片。
14.在一些示例中，所述驱动机构包括丝杠导轨、驱动所述丝杠导轨运作的驱动电机以及控制所述驱动电机工作的驱动控制器，所述丝杠导轨上设有滑动座，所述检测探头安装在所述滑动座上。
15.在一些示例中，所述真空组件包括真空泵、第一管道、第一真空阀、第二管道和第二真空阀，所述真空泵、所述第一真空阀和所述第二真空阀设置在所述密封腔室外；
16.所述真空泵通过所述第一管道连接所述检测台的内部，所述第一真空阀设置在所述第一管道上；
17.所述真空泵通过所述第二管道连接所述密封腔室的内部，所述第二真空阀设置在所述第二管道上。
18.在一些示例中，所述压力组件包括压力泵、第三管道和压力阀，所述压力泵和所述压力阀设置在所述密封腔室外；
19.所述压力泵通过所述第三管道连接所述密封腔室的内部，所述压力阀设置在所述第三管道上。
20.在一些示例中，所述压阻芯片批量测试装置还包括图像采集装置，设置在所述密封腔室内，用于对所述探针和放置在所述检测台上的压阻晶圆进行图像采集。
21.在一些示例中，所述图像采集装置包括ccd摄像头。
22.第二方面，本发明实施例提供一种压阻芯片批量测试方法，包括步骤：
23.(1)将待测的压阻晶圆放置于检测台上，所述压阻晶圆吸附在所述检测台上；
24.(2)给密封腔室的内部施加一预设压力，检测探头按照预设扫描轨迹移动，测得各个压阻芯片的中心变形量；
25.(3)重复步骤(2)，直至n个不同的预设压力施加完毕，测得各个压阻芯片的n个中心变形量，n为大于等于1的自然数。
26.在一些示例中，在所述检测探头按照预设扫描轨迹移动的同时，所述测试方法还包括：
27.图像采集装置对所述检测探头的探针以及所述压阻晶圆进行图像采集。
28.在一些示例中，所述测试方法还包括：
29.利用第一计算公式计算所述压阻芯片的非线性，利用第二计算公式计算所述压阻芯片的滞后性，利用第三计算公式计算所述压阻芯片的重复性；
30.所述第一计算公式为：
[0031][0032]
ω为分别为所述压阻芯片在同一预设压力下的中心变形量、中心变形量的目标量；
[0033]
所述第二计算公式为：
[0034][0035]
为在增压过程中所述压阻芯片在某预设压力下的中心变形量；为减压过程中所述压阻芯片在所述某预设压力下的中心变形量；
[0036]
所述第三计算公式为：
[0037][0038]
ωi、ωj分别为增压过程中所述压阻芯片在同一预设压力下第i次测量的中心变形量、第j次测量的中心变形量；或者，ωi、ωj分别为减压过程中所述压阻芯片在同一预设压力下第i次测量的中心变形量、第j次测量的中心变形量，i和j均为大于1的自然数，且i和j不同；
[0039]
ω
fs
为所述压阻芯片的满量程的变形量。
[0040]
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0041]
本发明实施例提供的压阻芯片批量测试装置及测试方法，测试装置包括真空组件、压力组件和检测组件，给密封腔室提供多个压力；测试方法通过在不同压力下测出压阻芯片的中心变形量，以中心变形量作为压阻芯片的最大变形量，根据最大变形量计算出压阻芯片的非线性、迟滞性、重复性。本发明的方案能够在晶圆层面批量完成对压阻芯片的精度性能测试及筛选；压阻芯片作为压力传感器中的核心器件用于直接感受压力信号，对压阻芯片进行非线性、迟滞性及重复性测试，能够有效降低压力传感器的生产成本，且提高压力传感器的良品率。
附图说明
[0042]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0043]
图1为本发明实施例提供的压阻晶圆的结构示意图；
[0044]
图2为本发明实施例提供的压阻芯片的结构示意图；
[0045]
图3为本发明实施例提供的惠斯通电桥的结构示意图；
[0046]
图4为本发明实施例提供的压阻芯片的感压膜的尺寸示意图。
[0047]
图5为本发明实施例提供的压阻芯片批量测试装置的结构示意图；
[0048]
图6为本发明实施例提供的压阻芯片批量测试装置中的检测探头的结构示意图；
[0049]
图7为本发明实施例提供的预设扫描轨迹覆盖压阻晶圆的结构示意图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0051]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0052]
参照图1，压阻晶圆10包括多个压阻芯片11；参照图2，压阻芯片11包括芯片基底111和感压膜112，芯片基底111的一侧内凹，感压膜112键合在芯片基底111内凹的一侧，在芯片基底111的内凹处形成真空参考腔113。
[0053]
压阻芯片11的测量电路基于惠斯通电桥，而压阻芯片11中的感压膜112为感受压力时发生变形的结构，同时也是惠斯通电桥的载体，感压膜112是压阻芯片11的核心结构。当感压膜感受到压力时，最大变形位置位于感压膜的中心点。
[0054]
参照图3，在惠斯通电桥中，v
in
表示惠斯通电桥输入端，v
out
表示惠斯通电桥输出端，r1、r2、r3、r4表示惠斯通电桥四个桥臂电阻，v
out
可由公式(1)表示。在压阻芯片中r1＝r2＝r3＝r4＝r，当有外界压力作用于压阻芯片时，电阻r1、r3降低δr，即二者阻值变为r-δr；电阻r2、r4增加δr，即二者阻值变为r+δr，由此公式(1)可以变形为公式(2)
[0055][0056][0057]
在压阻芯片工作时，压力作用于感压膜上，感压膜发生变形，以方形感压膜举例，感压膜的长和宽均为l，高为h，如图4所示；
[0058]
当感压膜感受到压力时，其最大变形位置处于方形膜的中心点，变形量如公式(3)：
[0059][0060]
ω为感压膜中心的变形量，p为压阻芯片所受到压力，μ为压阻芯片泊松比，e为压阻芯片弹性模量；
[0061]
δr/r可以由公式(4)表示
[0062][0063]
π
44
为压阻芯片压阻系数；
[0064]
由公式(3)和公式(4)可得到公式(5)；
[0065][0066]
由公式(2)和公式(5)可得到公式(6)：
[0067][0068]
对于确定的压阻芯片来说v
in
、e、h、π
44
、l均为固定常量，因此可将公式(6)中简化为固定常数k,由此可得公式(7):
[0069]vout
＝kω
ꢀꢀꢀ
(7)
[0070]
k为压阻芯片的电压输出与其感压膜中心的变形量之间的比值，单位为v/m。
[0071]
通过公式(7)将压阻芯片的电压输出转化为其感压膜最大变形量表示。
[0072]
当前，压力传感器的压阻芯片的非线性ξk如公式(8)所示，
[0073][0074]vout
分别为某一压力下压阻芯片的电压输出值、电压输出值输出值的目标值；v
out.fs
为压阻芯片的满量程输出值。
[0075]
通过公式(7)和公式(8)可以得到公式(9)，由公式(9)可将压阻芯片的非线性由输出电压相关量转化为变形量相关量。
[0076][0077]
ω为分别为压阻芯片在同一预设压力下的中心变形量、中心变形量的目标量，ω
fs
为压阻芯片的满量程的变形量。
[0078]
当前，压力传感器压阻芯片的迟滞ξh如公式(10)所示，
[0079][0080]
为在增压过程中压阻芯片在某一压力下的电压输出值；
[0081]
为减压过程中压阻芯片在某一压力下的电压输出值；
[0082]vout.fs
为压阻芯片的满量程输出值。
[0083]
通过公式(7)和公式(10)可以得到公式(11)，由公式(11)可将压阻芯片的迟滞由输出电压相关量转化为变形量相关量。
[0084][0085]
为增压过程中压阻芯片在某预设压力(如a压力)下的中心变形量；为减压过程中压阻芯片在某预设压力(如a压力)下的中心变形量；ω
fs
为压阻芯片的满量程的变形量。
[0086]
当前，压力传感器压阻芯片的重复性ξr如公式(12)所示，
[0087][0088]vout.i
、v
out.j
分别为增压过程中压阻芯片在同一压力下第i次测量的电压输出值、第j次测量的电压输出值；或者，v
out.i
、v
out.j
分别为增压过程中压阻芯片在同一压力下第i次测量的电压输出值、第j次测量的电压输出值，i和j均为大于1的自然数，且i和j不同；
[0089]vout.fs
为压阻芯片的满量程输出值。
[0090]
通过公式(7)和公式(12)可以得到公式(13)，由公式(13)可将压阻芯片的迟滞由输出电压相关量转化为变形量相关量。
[0091]
[0092]
ωi、ωj分别为增压过程中压阻芯片在同一预设压力下第i次测量的中心变形量、第j次测量的中心变形量；或者，ωi、ωj分别为减压过程中压阻芯片在同一预设压力下第i次测量的中心变形量、第j次测量的中心变形量，i和j均为大于1的自然数，且i和j不同；
[0093]
ω
fs
为压阻芯片的满量程的变形量。
[0094]
基于公式(9)、(11)和(13)将压阻芯片的电压输出测试转化为中心变形量(即最大变形量)的测试，根据最大形变量计算出压阻芯片的非线性、迟滞、重复性，从而在晶圆层面可批量完成对压阻芯片的精度性能测试及筛选。
[0095]
基于此，本发明实施例提供一种压阻芯片批量测试装置，能够将压阻芯片的电压输出测试转化为中心变形量(即最大变形量)的测试。
[0096]
如图5所示，本发明实施例提供的压阻芯片批量测试装置包括：真空组件、压力组件、检测组件、密封腔室20以及位于密封腔室20内的检测台21；
[0097]
检测台21，用于放置压阻晶圆10；
[0098]
真空组件，用于给检测台21提供负压以使压阻晶圆10吸附在检测台21上，以及给密封腔室20的内部提供负压或常压；
[0099]
压力组件，用于给密封腔室20的内部提供常压或正压；
[0100]
检测组件，用于在不同压力下检测压阻晶圆10中各个压阻芯片11的中心变形量。
[0101]
其中，检测台21包括具有真空腔的底座和具有吸附孔的平板，平板位于底座上，且吸附孔与真空腔连通。在测试压阻芯片11的精度性能时，压阻晶圆10放置在平板上。
[0102]
密封腔室20对真空组件提供给给整个测试装置的负压、常压进行密闭保持，也能够对压力组件提供给给整个测试装置的常压或正压进行密闭保持；
[0103]
在测试压阻芯片11的精度性能时，一般由压力组件给密封腔室20提供多个不同的正压，对压阻芯片11的感压膜施加压力。或者，也可以由真空组件给密封腔室20提供多个不同的负压，对压阻芯片11的感压膜施加压力。
[0104]
本实施例中，检测组件通过测出压阻芯片11在不同压力下的中心变形量，以中心变形量作为压阻芯片11的最大变形量，根据最大变形量计算出压阻芯片11的非线性、迟滞性及重复性，在晶圆层面批量完成对压阻芯片11的精度性能测试及筛选；压阻芯片11作为压力传感器中的核心器件用于直接感受压力信号，对压阻芯片11进行非线性、迟滞性及重复性测试，能够有效降低压力传感器的生产成本，且提高压力传感器的良品率。
[0105]
在一些示例性实施例中，检测组件包括：检测探头22和驱动机构；
[0106]
如图6所示，检测探头22包括位移传感器221和探针222，探针222的一端与位移传感器221相连接，探针222与位移传感器221的连接处设有弹簧223以使探针222的另一端与放置在检测台21上的压阻晶圆10保持接触；
[0107]
驱动机构用于带动检测探头22沿预设扫描轨迹移动，预设扫描轨迹覆盖压阻晶圆10上的所有压阻芯片11。
[0108]
参照图6，探针222的上端(即远离检测台21的一端)内嵌于位移传感器221的底部，弹簧223位于探针222与位移传感器221的连接处；
[0109]
参照图7，预设扫描轨迹具有扫描起点和扫描终点，压阻晶圆10上的所有压阻芯片11位于扫描起点和扫描终点之间的连线上。
[0110]
例如，密封腔室20内接收到压力组件提供的正压，压阻晶圆10放置在检测台21上，
各个压阻芯片11的感压膜受到压力时向芯片基底所在一侧变形。在驱动机构的带动下，检测探头22在扫描起点处接触压阻晶圆10，此时检测探头22中的弹簧223处于压缩状态；
[0111]
检测探头22在移动过程中，沿着预设扫描轨迹先从压阻芯片11的边缘到压阻芯片11的中心，再到压阻芯片11的边缘，该过程中探针222连接位移传感器221的一端会先向靠近检测台21的方向移动，再向远离检测台21的方向移动，位移传感器221通过测量探针222在垂直于检测台21的方向的位移来测出感压膜的变形量，从而得到压阻芯片11的中心变形量。
[0112]
在一些示例性实施例中，驱动机构包括丝杠导轨23、驱动丝杠导轨23运作的驱动电机24以及控制驱动电机24工作的驱动控制器25，丝杠导轨23上设有滑动座，检测探头22安装在滑动座上。
[0113]
其中，丝杠导轨23、驱动电机24设置在密封腔室20内，驱动控制器25设置在密封腔室20外，丝杠导轨23给检测探头22提供移动轨道；
[0114]
驱动电机24的数量可以为一个或多个，例如驱动机构可以包括单个驱动电机24或者可以包括两个驱动电机24，并且驱动控制器25可以使用相同的控制方法来控制各个驱动电机24的运转，实现检测探头22在竖直方向上、在平行于检测台21的x方向和平行于检测台21的y方向上移动。
[0115]
参照图7，x方向、y方向和竖向方向两两相垂直，优选驱动电机24为步进电机或伺服电机。
[0116]
在一些示例性实施例中，真空组件包括真空泵261、第一管道、第一真空阀262、第二管道和第二真空阀263，真空泵261、第一真空阀262和第二真空阀263设置在密封腔室20外；
[0117]
真空泵261通过第一管道连接检测台21的内部，第一真空阀262设置在第一管道上；
[0118]
真空泵261通过第二管道连接密封腔室20的内部，第二真空阀263设置在第二管道上。
[0119]
该实施例中，第一真空阀262能够使检测台21在常压和真空两种状态之间切换；第二真空阀263能够使密封腔室20在常压和真空两种状态之间切换。
[0120]
在一些示例性实施例中，压力组件包括压力泵271、第三管道和压力阀272，压力泵271和压力阀272设置在密封腔室20外；
[0121]
压力泵271通过第三管道连接密封腔室20的内部，压力阀272设置在第三管道上。
[0122]
该实施例中，压力阀272使得密封腔室20能够在常压和不同的正压之间切换。
[0123]
在一些示例性实施例中，压阻芯片批量测试装置还包括图像采集装置28，设置在密封腔室20内，用于对探针222和放置在检测台21上的压阻晶圆10进行图像采集。
[0124]
检测探头22按预设扫描轨迹移动时，图像采集装置28能够监测检测探头22在密封腔室20内的移动路径，避免检测探头22不按照预设扫描轨迹移动。
[0125]
在一些示例性实施例中，图像采集装置28包括ccd摄像头，能够清晰采集探针222与压阻晶圆10的图像。
[0126]
在一些示例性实施例中，压阻芯片批量测试装置还包括信号处理电路29、ad采集卡30、图像采集卡31以及计算机32；ad采集卡30、图像采集卡31以及驱动控制器25分别与计
算机32相连。
[0127]
其中，位移传感器221将探针222的高低起伏转化为位移信号；
[0128]
信号处理电路29，与位移传感器221相连，将位移传感器221所测量的信号进行滤波，放大从而将测量转变成芯片变形量的模拟信号；
[0129]
ad采集卡30，与信号处理电路29相连，将信号处理电路29的模拟信号转换为数字信号；
[0130]
图像采集卡31，对ccd摄像头采集的图像信息进行处理；
[0131]
计算机32通过对驱动控制器25进行参数加载以控制驱动电机24的运作，且对位移传感器221测得位移信号以及ccd摄像头采集的图像信息进行记录、分析及计算。
[0132]
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供一种压阻芯片批量测试方法。结合图5所示的测试装置以及图7所示的预设扫描轨迹，该测试方法包括如下步骤：
[0133]
(1)将待测的压阻晶圆10放置于检测台21上，压阻晶圆10吸附在检测台21上；
[0134]
(2)给密封腔室20的内部施加一预设压力，检测探头22按照预设扫描轨迹移动，测得各个压阻芯片11的中心变形量；
[0135]
(3)重复步骤(2)，直至n个不同的预设压力施加完毕，测得各个压阻芯片11的n个中心变形量，n为大于等于1的自然数。
[0136]
该实施例中，步骤(1)中，打开密封腔室20，待测的压阻晶圆10置于检测台21上，将密封腔室20关闭；打开真空泵261和第一真空阀262，压阻晶圆10吸附在检测台21上。
[0137]
步骤(2)中，打开压力泵271和压力阀272，将压力调节到一预设压力，给密封腔室20提供正压，等待一分钟至三分钟，以保证整个密封腔室20内压力值稳定且均匀；
[0138]
检测探头22从扫描起点位置a向扫描终点位置b移动，对整个压阻晶圆10上的各个压阻芯片11进行扫描。
[0139]
步骤(3)是提供不同的压力，在不同的压力下实施步骤(2)，测得压阻芯片11在不同压力下的中心变形量。
[0140]
如果使用负压测试，则在步骤(2)中打开第二真空阀263，不使用压力泵271和压力阀272。
[0141]
在一些示例性实施例中，在检测探头22按照预设扫描轨迹移动的同时，测试方法还包括：图像采集装置28对检测探头22的探针222以及压阻晶圆10进行图像采集。即在进行步骤(2)之前，打开ccd摄像头，在检测探头22按预设扫描轨迹移动过程中，采集探针222和压阻晶圆10的图像。
[0142]
在一些示例性实施例中，测试方法还包括：
[0143]
利用第一计算公式计算压阻芯片11的非线性，利用第二计算公式计算压阻芯片11的滞后性，利用第三计算公式计算压阻芯片11的重复性；
[0144]
第一计算公式为：
[0145][0146]
ω为分别为压阻芯片在同一预设压力下的中心变形量、中心变形量的目标量；
[0147]
第二计算公式为：
[0148][0149]
为在增压过程中压阻芯片在某预设压力下的中心变形量；为减压过程中压阻芯片在某预设压力下的中心变形量；
[0150]
第三计算公式为：
[0151][0152]
ωi、ωj分别为增压过程中压阻芯片在同一预设压力下第i次测量的中心变形量、第j次测量的中心变形量；或者，ωi、ωj分别为减压过程中压阻芯片在同一预设压力下第i次测量的中心变形量、第j次测量的中心变形量，i和j均为大于1的自然数，且i和j不同；
[0153]
ω
fs
为压阻芯片的满量程的变形量。
[0154]
例如，预设压力包括2mp、4mp、6mp和8mp，且ω
fs
＝10mp；
[0155]
以检测非线性为例，在2mp、4mp、6mp以及8mp下分别计算出基于此筛选出|ω
i-ωj|
max
，从而计算出非线性ξk；以类似的过程确定以及|ω
i-ωj|
max
，从而检测出滞后性以及重复性。
[0156]
该实施例通过第一计算公式、第二计算公式和第三计算公式测出压阻芯片11的非线性、滞后性以及重复性，压阻芯片的精度由三者共同决定，表示为平方和的平方根。
[0157]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0158]
本发明采用第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应局限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
[0159]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0160]
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。