caozhiliangのblog

基于NI PXI和LabVIEW的自动化设备及其在MEMS传感器测试中的应用　 2009-04-09 13:42

一谈起IC测试，大家首先想到的是泰瑞达（Teradyne）、惠瑞捷（Verigy），想到J750、 Flex,、V93k等。这些设备都在50万美元以上，还有昂贵的服务和维修费用。摊到每一秒钟上，大概要10美分以上。因此测试工程师必须尽可能地压缩测试时间来降低生产成本。如果去看项目经理在项目开始前的评估表，你会发现，所有的成本，从设计、流片、封装等都清清楚楚，因为这些很好计算，唯独测试，他是拍脑袋决定的，因为还没设计和调试怎能准确估计？但是这个测试成本已经进入管理系统、已经被用于计算毛利率，被用于决定上项目的依据，测试工程师最后给出的真实时间只能比它更短。测试工程师往往处于两难的境地。一方面，测试不能过严，或者不该测的不测，这样测试时间短，测试通过率高，项目才会赢利。另一方面，测试工程师必须保证通过测试的产品的失败率很低，因为一旦客户返还，损失极大。有时因为设计或生产的缺陷，还不得不在测试程序中添加额外测试（containment test），这不在原先的测试计划中，但是测试时间有的很长。这好比老师给学生出题，既要想缩短考试时间，又要想不让差学生蒙混过关，好学生失误降级，谈何容易！测试成本降低百分率常被列入测试工程师的年度考核，他们要面对巨大的压力。

那么，还有没有别的办法来降低成本呢？除了缩短测试时间外，降低成本的另外一个手段就是使用或者搭建便宜的测试设备ATE。但是自己设计的设备往往不容易满足大规模自动化测试的要求：可靠（reliability）、可复制（duplicability）、可维护（maintaining）、可校准（calibration）和通用（generic）等。一台ATE一周要测试百万个器件、许多台同样的设备同时在工作，必须保证测试结果的一致性。还有这些设备被用于测试不同的产品，因此必须保证它们的功能足够强大、灵活和易用。另外，谁来维护这些充满设计者高度个性化的设备？有没有自动化程序来校准这些设备？这就是为什么大家还要买昂贵的工业化了的测试设备，尽管在实验室里都搭建了各式各样的小设备。

National Instrument的PXI卡和LabVIEW软件在实验室中被广泛应用，特别用在于验证设计的Bench setup。由于MEMS传感器输出输入管脚少、简单，一般是SPI、I2C等，因此很容易用NI PXI卡来测试，也有可能用NI PXI卡建造自动化测试仪器。下面介绍如何用NI PXI卡建造ATE。 

首先要确定总的架构。这里把测试板（test board）跟接触测试板（continuity board）分开，因为前者是客户化的，跟被测试的器件有关。（如果能做到通用当然最好），后者是通用的。它们之间的切换靠继电器板（relay board）。（图一）



图一、基于NI PXI和LabVIEW的自动化测试设备示意图 


接下来选择NI PXI卡。最重要的是通道越多越好，因为通道越多，测试的并行程度就越高。当然速度也是一个必须考虑的因素，别的可以通过设计测试板解决。这里选择PXI 6551和PXI 6225作数字和模拟驱动、接收卡，前者有20个数字输入输出通道，后者有80个测量电压通道、2个输出电压通道和24个数字通道。

设计测试板。对数字信号的控制有两种方法。第一种把它叫做并行，因为所有器件在同时通信。（图二）以SPI为例，芯片选择(Cs)和时钟(Clk)可以共享，输入输出独立，因此一个PXI 6551卡可测量8个器件（尚剩2个DIO）。



图二、并行测试示意图


还有一种叫串行，所有器件共享输入输出，通过独立的芯片选择(Cs)让器件接收相应的信号、确定接收的信号来自哪个器件。（图三、图四）这样一个PXI 6551卡可测量16个器件。虽然数字通信速度比并行慢，但是却把模拟信号测量和物理刺激（振荡、加压等）的并行度提高了一倍。考虑到数字通信远比模拟信号测量和物理刺激快，这样的设计是值得的。



图三、串行测试示意图



图四、串行测试中通过Cs独立信号来激活对应的被测试器件


接下来就是对模拟信号的输入输出进行设计。主要就是能测电流、电压。（图五）开关SW1用来断开或者接通Force和Sense线。SW2和SW3用来切换测量电流和电压。SW4选择电流的范围（测量R1或者R1||R2上的电压降）。R3在Force跟Sense断开是起作用。



图五、模拟信号驱动和测量示意图


用以上的设计方法，用多个PXI 6551 和PXI 6225卡，用多个测试板建立起基于NI PXI和LabVIEW的自动化设备，可以同时测试64、96甚至128个MEMS器件。这样的设备已经用于大规模测试，每周测量数百万片。（曹志良）