專利名稱：一種電熱式微鏡的自動測試系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種電熱式微鏡的自動測試系統。
背景技術：
微機電系統(Micro-electro-mechanicalsystems,簡稱 MEMS)是利用微加工技術制造出來的三維裝置，至少包括一個可運動結構滿足某種機械作用。MEMS器件由于借鑒了集成電路的エ藝因此應用于很多不同的領域。本世紀越來越多的傳感器和執行器都傾向于米用MEMS技術,其中微機電系統微鏡就是其中一個絕佳的例證。微機電系統驅動結構產生的カ很小，但足以驅動鏡面使其發生偏轉。在眾多MEMS微鏡中電熱式微鏡是ー款依靠熱形變使鏡子偏轉的微機電系統。電熱式微鏡系統主要包括鏡面、支撐臂和驅動臂三個部分，其中驅動臂就是依靠電熱效應產生形變驅動鏡子偏轉。電熱式微鏡自動測試控制系統，利用外部電路系統和電動位移平臺來測量圓片裸芯的性能狀況，通過系統驅動將芯片的整體情況顯示到電腦軟件上，同時進行相應的存儲記錄。電熱式微鏡自動測試控制系統操作簡單方便，在批量測試裸芯的步驟上大大縮減了工程時間。尤其是在芯片使用前的階段對芯片整體性能進行測試，對芯片下一歩的使用提供了有力的保障。雖然在微機電系統微鏡領域已經有ー些較為成熟的自動測試控制方案，但是在電熱式微鏡領域尚未有自動測試控制系統的方案，尤其是針對小芯片，低成本，可靠性較高的方案。
實用新型內容本實用新型目的在于提供一種針對小芯片，低成本，可靠性較高電熱式微鏡的自動測試系統及方法。本實用新型為實現上述目的，采用如下技術方案—種電熱式微鏡的自動測試系統，其特征在于包括電動位移平臺、電熱式微鏡測試的針頭、數據采集系統、電熱式微鏡自動測試控制系統光路；所述電動位移平臺用于放置電熱式微鏡裸芯圓片，并可以帶動圓片在X、Y、Z軸方向上移動；所述電熱式微鏡測試的針頭用于接觸電熱式微鏡的焊盤，測試電熱式微鏡驅動臂的阻值；所述數據采集系統用于采集電熱式微鏡驅動臂電阻信號、位置敏感傳感器輸出的圖形信號，控制電動位移平臺移動，驅動電熱式微鏡掃描；所述電熱式微鏡自動測試控制系統光路用于將入射激光經電熱式微鏡反射到屏幕上和位置敏感傳感器上，其光路設計如本公司專利“一種微鏡圖形掃描機構”申請號201110377691. 3 所示。其進ー步特征在于所述電熱式微鏡的焊盤分為上下兩行，共五個焊盤；所述測試針頭主要采用固定夾具、彈簧針和外界電引線組成，整個測試針頭的固定夾具采用激光打孔，孔的排列順序和焊盤排列相同，將彈簧針穿過夾具孔滴膠固定好后，向夾具內腔澆注凝固肢體，使其密封填滿，露出的彈簧針的末端焊接導線連接出來。進ー步的數據采集系統包括中央處理器、模數轉換模塊、數模轉換模塊、信號整形模塊、電動位移平臺控制模塊、電阻采集模塊、USB通信模塊和安全保護模塊；所述中央處理器主要負責數據的整體處理，執行整個控制系統的算法運行；所述模數轉換模塊用來轉換位置敏感傳感器輸出的模擬信號，用于監控掃描圓形時微鏡的運動情況；所述數模轉換模塊用于輸出模擬信號控制微鏡掃描； 所述信號整形模塊用于對數模轉換模塊輸出的信號進行整形處理，處理后的信號符合驅動微鏡信號的屬性；所述電動位移平臺控制模塊，主要用來控制平臺步進量和針頭停留時間；所述電阻采集模塊用來檢測微鏡四個電阻的阻值，以此標定微鏡是否為良品;USB通信模塊用來控制中心與電腦之間的通信，系統控制軟件通過USB通信方式發送指令控制整個硬件模塊的工作；所述安全保護模塊是防止上電與掉電瞬間浪涌信號對微鏡的沖擊。—種電熱式微鏡的自動測試方法，包括電熱式微鏡良品率的測試、電熱式微鏡的老化測試和光掃描測試、電熱式微鏡屬性測試；I)所述電熱式微鏡良品率的測試步驟為將整板的電熱式微鏡裸芯圓片放置在電動位移平臺的卡板上，根據平臺標記糾正好圓片的角度，用鏤空蓋板蓋住圓片，使圓片固定良好；移動X軸和Y軸的電動平臺，將測試針頭移到預設微鏡的下方，移動針頭沿Z軸方向向下，通過攝像頭軟件對準針尖與焊盤的位置，讀取該電熱式微鏡的驅動臂阻值，當電熱式微鏡的四個驅動臂阻值均存在吋，記錄此時的X、Y、Z的坐標值，并將此值作為原點；根據電熱式微鏡的尺寸在電腦控制軟件界面上設置X軸、Y軸平臺的步進量和Z軸平臺的抬起高度，啟動電動位移平臺，依次記錄下每個微鏡對應的坐標和電阻，當微鏡的電阻值出現異常時記錄此時的電熱式微鏡為次品，記錄當前次品坐標，在顯示軟件版圖上以紅色標記；將每一次采集到的芯片阻值存儲，直至將設定數量的電熱式微鏡全部測完，根據軟件上的存儲數據計算出所測的圓片上微鏡的良品率；2)所述電熱式微鏡的老化測試和光掃描測試步驟為將電動位移平臺翻轉90度，安裝到測試光路中，依照步驟I)固定好原點，設置好步進量，設置Z軸點擊到微鏡上的停留時間即老化時間，將激光打到微鏡上后，上位機軟件輸出老化測試信號，觀察屏幕上的圖形是否有標準的圓形輸出，同時位置敏感傳感器(PSD)采集到掃描的圓形，將其拆解為兩路正弦波信號，通過模數轉換電路將正弦波采集到電腦的軟件中，電腦軟件時刻監控這兩路信號的相位差，并將相位差的值存儲實時顯示為一條曲線，當測得的相位差90°并且在測試時間內相位差曲線沒有波動表明此微鏡為優品，可用作工程使用；3)所述電熱式微鏡屬性測試微鏡的屬性測試分為三個部分，本系統將三個屬性的測試集成到一起，首先微鏡的偏轉角度與電壓關系的測試是由軟件控制啟動，由電路系統輸出步進電壓可調，輸出頻率可調的臺階電壓；此時在位置敏感傳感器的輸出端會有對應的ー組電壓輸出，代表屏幕上的激光反射后顯示的實際坐標點，依次記錄存儲相關數據，并自動擬合出所加載電壓與偏轉角度的關系曲線；延時特性的測試和諧振頻帶測試可同時進行，由軟件設置輸出波形的頻率特征值后，電路系統輸出頻率步進的正弦波電壓，位置敏感傳感器反饋的信號與所加信號進行相位比較，軟件自動記錄相位差并準換計算成延時時間，同時擬合出不同頻率下的延時特性曲線；諧振頻帶為位置敏感傳感器輸出的信號由正弦波變成畸形波形時的頻率開始算起，直到畸形波形變回正常的正弦波時的頻率為止，截止頻率與起始頻率之間的頻帶即為諧振頻帶。上述系統軟件包括圓片的版圖導入和顯示功能，電動位移平臺參數的設置功能，微鏡測試數量設置功能，數據存儲功能，參數計算功能，次品標記功能，光掃描控制功能，微鏡屬性測試功能；圓片的版圖導入和顯示功能用來測試時顯示當前測試微鏡在整板圓片中的位置，當測試出次品時自動記錄位置，并標記出顔色； 電動位移平臺參數設置功能主要用于設置電動位移平臺的X軸、Y軸、Z軸的坐標、Z軸平臺停頓時間和電動平臺偏移量；測試數量設置用于測試整個原片上的部分芯片或用于抽測時使用；數據存儲功能主要用于存儲需要記錄的信息和需要計算的數據；參數計算功能主要實現良品率的計算和位置敏感傳感器兩路信號相位差的計算，次品標記功能可以將圓片上的次品位置在軟件版圖上記錄下來；光掃描控制功能用來篩選優良微鏡，通過監控掃描圓形的形狀判斷微鏡的品質；在上一歩的基礎上使用微鏡屬性測試軟件可自動測試微鏡驅動電壓與偏轉角度的關系、微鏡的延時特性和微鏡的諧振頻帶。本實用新型具有下述優點I、批量測試電熱式微鏡、效率高、準確率高、便于統計數據。2、軟件設置自由，步進量可調，可針對微鏡進行抽樣測試。3、成本低，容易實現。4、光路元件較少，實現簡單，實用性強，可集成化。5、可對芯片使用前進行老化和光測試，提高下一歩使用前的穩定性。6、外圍控制電路簡單，容易重復實現。7、通過電腦軟件與電路系統的通信，將數據上傳至上位機軟件進行計算，直觀方便。8、使用相位監控和數據統計功能，實現微鏡掃描時優良情況的監控。9、軟件設計靈活，可實時監控，數據存儲和調用方便。10、針頭設計簡單，重復性好，用電條件寬松，可以拆解更換，便于不同版本微鏡的測試。11、電動位移平臺設計靈活，可翻轉使用，針頭可更換拆解，自由度大，可針對整板圓片進行抽測。12、可用作批量芯片的屬性測試，包括電壓與偏轉角度的關系，延時特性和諧振頻帶的測試，整個過程更加自動化。
圖I為本電動位移平臺結構簡圖；圖2為電動平臺俯視圖及微鏡單元示意圖；圖3為針頭結構示意圖；圖4為系統結構示意圖；圖5為微鏡驅動臂電阻測量方法示意圖；圖6為光掃描測試原理圖；圖7為微鏡屬性測試示意圖； 圖8為偏轉角度與驅動電壓關系示意圖。圖中I. Z軸電動平臺；2.微型攝像頭；3.針頭；4.鏤空蓋板；5.透明底板；6. X軸位移平臺；7. Y軸位移平臺；8.基座；13.焊盤；14.微鏡鏡面；15.彈簧針；16.固定夾具；17.針頭固定座；18.電引線；19.安全保護模塊；20.數模轉換模塊；21.電源模塊；22.中央處理器；23.通信模塊；24.信號采集模數轉換模塊；25.激光光源；26.位置敏感傳感器；27.第一分光鏡；28.第二分光鏡；29.坐標屏幕；30.電動位移平臺；31.信號整形模塊；32.微鏡圓片單兀。
具體實施方式
—種電熱式微鏡的自動測試系統，包括電動位移平臺、電熱式微鏡測試的針頭、數據采集系統、電熱式微鏡自動測試控制系統光路。如圖I所述電動位移平臺用于放置電熱式微鏡裸芯圓片，并可以帶動圓片在X、Y、Z軸方向上移動。平臺包括基座8、X軸位移平臺6、Y軸位移平臺7、Z軸位移平臺1，Z軸位移平臺I上設置有微型攝像頭2和針頭3。放置在電熱式微鏡裸芯圓片X軸位移平臺6上的透明底板5上，上面在蓋有鏤空蓋板4。所述電動位移平臺設置在基座8上。所述電熱式微鏡測試的針頭如圖3所示用于接觸電熱式微鏡的焊盤，測試電熱式微鏡驅動臂的阻值；所述電熱式微鏡如圖2所示，包括微鏡鏡面14和焊盤13，焊盤13分為上下兩行，共五個；所述測試針頭主要采用固定夾具16、彈簧針15和外界電引線18組成，整個測試針頭的固定夾具16采用激光打孔，孔的排列順序和焊盤排列相同，將彈簧針15穿過夾具孔滴膠固定在好后，向夾具內腔澆注凝固膠體，使其密封填滿，露出的彈簧針15的末端焊接導線連接出來。固定夾具安裝在針頭固定座17上。所述數據采集系統用于采集電熱式微鏡驅動臂電阻信號、位置敏感傳感器輸出的圖形信號，控制電動位移平臺移動，驅動電熱式微鏡掃描；如圖4所示數據采集系統包括中央處理器22、信號采集模數轉換模塊24、數模轉換模塊20、信號整形模塊31、電動位移平臺控制模塊、電阻采集模塊、USB通信模塊和安全保護模塊19 ;所述中央處理器22主要負責數據的整體處理，執行整個控制系統的算法運行；所述信號采集模數轉換模塊24用來轉換位置敏感傳感器26輸出的模擬信號，用于監控掃描圓形時微鏡的運動情況；所述數模轉換模塊20用于輸出模擬信號控制微鏡掃描；所述信號整形模塊31用于對數模轉換模塊20輸出的信號進行整形處理，處理后的信號符合驅動微鏡信號的屬性；所述電動位移平臺控制模塊，主要用來控制電動位移平臺30步進量和針頭3的停留時間；所述電阻采集模塊用來檢測微鏡四個電阻的阻值，以此標定微鏡是否為良品；USB通信模塊用來控制中心與電腦之間的通信，系統控制軟件通過USB通信方式發送指令控制整個硬件模塊的工作；所述安全保護模塊19是防止上電與掉電瞬間浪涌信號對微鏡的沖擊。所述數據采集系統通過電源模塊21進行供電，通信模塊23與系統軟件進行通信。所述電熱式微鏡自動測試控制系統光路用于將入射激光經電熱式微鏡反射到屏幕上和位置敏感傳感器上。系統光路搭建的方法和尺寸的設計如圖4所示，第一分光鏡27將激光光源25發射出的一束光打到微鏡上，最重要的是激光與微鏡的鏡面要保持嚴格的垂直關系。由于微鏡受到驅動電壓的驅動鏡面發生角度偏轉，光束會通過第一分光鏡27達到第二分光鏡28上，第二分光鏡28將光束分成兩束，一束打在位置敏感傳感器26上，一束打在坐標屏幕29上。第一分光鏡27距離微鏡的距離要保持最近距離，第二分光鏡28位置要保證第一分光鏡27射出的光線打在第二分光鏡28上時既能嚴格垂直的打在位置敏感傳感器26上，又要保證光線不會偏離分光鏡面。坐標屏幕29和位置敏感傳感器距離第二分
光鏡28的距離要盡量遠ー些，盡量用滿量程的范圍測量數據，以保證微鏡偏轉角度與驅動電壓關系建立時的高分辨率。微鏡圓片單元32設置在電動位移平臺30上，由其帶動，檢測姆ー個微鏡圓片單兀32。如圖I所示將整板加工后的裸芯圓片，放到電動位移平臺上，根據平臺上的標記糾正好圓片的方向，蓋上鏤空蓋板4。移動Z軸位移平臺I至預設的測試起點，將測試針頭3壓下，觀察軟件上顯示的四個電阻值，如果四個電阻值均存在，說明接觸已充分，記錄并存儲此時的X軸、Y軸、Z軸的坐標值，將其設置為坐標原點。設置位移平臺的偏移量及芯片測量數目，點擊軟件啟動項，啟動位移平臺進行良品率的測試。測試完畢后軟件自動關閉平臺，將所記錄的數據存儲統計，最終計算出良品率的值。將電動位移平臺翻轉90度，將平臺置于圖4所示光路中，設置老化時間，將激光打在起點的芯片上，通過測試針頭給芯片加載圓形掃描信號，掃描信號由電路系統提供，由軟件控制輸出波形的頻率和幅度。觀察屏幕29上的圖形是否為標準的圓形，同時觀察軟件上相位監控的曲線是否為直線，如果是直線表明輸出的圓形為標準圓形，此芯片掃描情況較好。依次測試設置數量的芯片直至完畢，統計并存儲掃描情況較好的芯片數量。微鏡屬性測試，首先設置輸出的波形為頻率可調的步進電壓臺階波形，位置敏感傳感器測得的值自動存儲后，軟件擬合出所加電壓與偏轉角度的關系曲線。延時特性與諧振頻帶的測試需要軟件設置輸出頻率步進的正弦波信號，軟件讀取位置敏感傳感器輸出的信號頻率，自動換算出延時時間和波形畸形時的頻帯。電熱式MEMS微鏡主要是驅動臂通過不同材料電熱效應發生形變產生應カ帶動鏡面偏轉。每個微鏡有4個完全相同的驅動臂，當加載電壓值為U的電壓時，在驅動臂上產生的熱量會產生熱膨脹，形變導致驅動臂產生應力驅動鏡面偏轉。自動測試系統是針對批量電熱式微鏡的測試而設計。整個系統分為硬件和軟件兩大模塊，主要實現的功能是微鏡良品率的測試，光掃描測試，屬性測試三大部分。微鏡良品率測試工作原理是根據微鏡的電阻特征來判斷，一個微鏡是否為良品，以微鏡四個驅動臂是否均有電阻，并且電阻的最大值與最小值相差不超過100歐姆來判斷。系統硬件電路采用四路標準的電流源器件輸出電流均為I的信號加載到微鏡的針頭上，針頭上的5個針腳接觸到焊盤后，在微鏡電阻端會有電壓輸出，經過放大、模數轉換處理后電路系統通過串ロ通信的方式將數據傳給電腦，電腦軟件進行數據存儲，如圖5所示。所測微鏡電阻Rm=U/A/I。式中A為微鏡電阻兩端電壓的放大倍數。光掃描測試用于微鏡老化和掃描情況的檢測，所根據的原理是微鏡掃描圓形圖案，圓形越標準，代表微鏡四個驅動臂的均勻性越好，微鏡經過長時間機械運動老化后圓形掃描的越好代表微鏡性能越穩定。檢測圓形的掃描情況原理是根據位置敏感傳感器上掃描的圓形圖案光電轉換后，拆解為兩路正弦信號，這兩路信號的相位差為90°，當掃描的圓形不標準時，相位差不等于90度。具體原理如圖6所示微鏡的屬性測試方法原理，如圖7所示。微鏡加載電壓與偏轉角度的關系測試，選擇臺階波形，波形電壓的步進量和步進時間可通過軟件設置，范圍在(T4V之間。當信號每步進一次，反射光點就會跳變一次，位置敏感傳感器的輸出XY的坐標值就會跟著變化一次，數據采集系統記錄并存儲一次。當電壓值達到4V時，系統記錄所有位置敏感傳感器輸出的坐標點的值，并與對應的加載電壓值擬合成曲線關系圖顯示在軟件上。具體計算過程如圖8所示，微鏡偏轉角a =arctan (f/l)，f = UxXfO/Up，其中f代表微鏡發射的光點在位置敏感傳感器成像平面上的偏移量，I代表微鏡與之間位置敏感傳感器的距離，Ux代表·位置敏感傳感器輸出的電壓，f0代表位置敏感傳感器光電轉換模塊的邊長，Up為位置敏感傳感器滿量程電壓。延時特性和諧振頻帶的測試原理，是根據相位監控和波形監控。相位監控的對象是加載到微鏡上的驅動電壓和位置敏感傳感器實際輸出電壓之間的相位，如圖7所示，當正弦波驅動電壓的頻率由低到高變化過程中輸出信號的頻率會跟著同時變化，計算這兩路信號的相位差可知不同頻率下微鏡的響應時間不同，即得出延時時間與驅動信號頻率之間的關系。軟件可以自動獲取兩路信號之間的相位差對應的時間為△ t，記錄并存儲后擬合出頻率和相位差之間的關系曲線。諧振頻帶的測試通過波形監控進行實現，原理是微鏡在諧振過程中，會進行不規律的掃描，位置敏感傳感器讀出的波形也為不規則的波形，軟件將信號采集后自動監控輸出電壓的幅值，如果輸出的電壓超過軟件設置的監控電壓，說明在此頻率驅動信號的驅動下微鏡掃描時出現諧振，當波形幅值恢復到軟件設置的監控區域內說明微鏡在此處沒有諧振，記錄并存儲這ー時刻對應信號的頻率，計算出諧振的頻帶寬度，具體如圖13所示，信號幅值處于監控電壓的高點與低點之間是正常工作無諧振狀態。當信號的幅值超過監控電壓的高點甚至出現消頂或低于監控信號低點時，微鏡即為工作在諧振狀態下，當信號的幅值低于極限工作頻率點的監控電壓時，微鏡無法響應，此時信號的頻率即為微鏡工作的極限頻率。
權利要求1.一種電熱式微鏡的自動測試系統,其特征在于包括電動位移平臺、電熱式微鏡測試的針頭、數據采集系統、電熱式微鏡自動測試控制系統光路； 所述電動位移平臺用于放置電熱式微鏡裸芯圓片，并可以帶動圓片在X、Y、Z軸方向上移動； 所述電熱式微鏡測試的針頭用于接觸電熱式微鏡的焊盤，測試電熱式微鏡驅動臂的阻值； 所述數據采集系統用于采集電熱式微鏡驅動臂電阻信號、位置敏感傳感器輸出的圖形信號，控制電動位移平臺移動，驅動電熱式微鏡掃描； 所述電熱式微鏡自動測試控制系統光路用于將入射激光經電熱式微鏡反射到屏幕上和位置敏感傳感器上。
2.根據權利要求I所述的ー種電熱式微鏡的自動測試系統，其特征在于所述電熱式微鏡的焊盤分為上下兩行，共五個焊盤；所述測試針頭主要采用固定夾具、彈簧針和外界電引線組成，整個測試針頭的固定夾具采用激光打孔，孔的排列順序和焊盤排列相同，彈簧針穿過夾具孔滴膠固定，向夾具內腔澆注凝固膠體，露出的彈簧針的末端焊接導線連接出來。
3.根據權利要求I所述的ー種電熱式微鏡的自動測試系統，其特征在于數據采集系統包括中央處理器、模數轉換模塊、數模轉換模塊、信號整形模塊、電動位移平臺控制模塊、電阻采集模塊、USB通信模塊和安全保護模塊； 所述中央處理器主要負責數據的整體處理，執行整個控制系統的算法運行； 所述模數轉換模塊用來轉換位置敏感傳感器輸出的模擬信號，用于監控掃描圓形時微鏡的運動情況； 所述數模轉換模塊用于輸出模擬信號控制微鏡掃描； 所述信號整形模塊用于對數模轉換模塊輸出的信號進行整形處理，處理后的信號符合驅動微鏡信號的屬性； 所述電動位移平臺控制模塊，主要用來控制平臺步進量和針頭停留時間； 所述電阻采集模塊用來檢測微鏡四個電阻的阻值，以此標定微鏡是否為良品；USB通信模塊用來控制中心與電腦之間的通信，系統控制軟件通過USB通信方式發送指令控制整個硬件模塊的工作； 所述安全保護模塊是防止上電與掉電瞬間浪涌信號對微鏡的沖擊。
專利摘要本實用新型公布了一種電熱式微鏡的自動測試系統，包括電動位移平臺、電熱式微鏡測試的針頭、數據采集系統、電熱式微鏡自動測試控制系統光路。一種電熱式微鏡的自動測試方法，包括電熱式微鏡良品率的測試、電熱式微鏡的老化測試和光掃描測試、電熱式微鏡屬性測試。通過本實用新型的測試系統和方法能夠實現自動測試微鏡的良品率和自身屬性。
文檔編號G01M11/02GK202793736SQ20122030196
公開日2013年3月13日 申請日期2012年6月26日 優先權日2012年6月26日
發明者蘭樹明, 謝會開, 陳巧, 管帥, 王東琳, 傅霖來, 周亮 申請人:無錫微奧科技有限公司