測試背景

MEMS技術應用使得金屬氧化物(MOX)氣體傳感器在晶圓級大規模生產中得以廣泛應用，大大降低了硅晶圓制造的成本。這些氣體傳感器裝置適用于一氧化碳(CO)和各種揮發性有機化合物(OCs)，如：如乙醇、丙酮和甲苯的精確測量。出于健康和安全考慮，這些傳感器的應用主要包括環境監測、生物研究、工業控制、便攜式酒精測量儀和家庭空氣監測系統。

MOX氣體傳感器采用MEMS技術，大大降低了制造成本。但是這些傳感器也必須經過測試，這與典型半導體器件的制造和測試相比是一組獨特的挑戰。這篇白皮書介紹了一個半導體氣體傳感器制造商采用的基于PXI的集成化測試解決方案，該方案可提供測試所需的準確性，適應非常大規模的現場計數，并且在低成本的情況下可匹配高性能半導體測試系統的整體吞吐量性能。

MOX氣體傳感器介紹

MOX氣體傳感器是作為多芯片模塊(MCM)制作的微機電系統(微機電系統)器件。MCM的基本組成部分是微控制器ASIC，在晶圓片上預測試，以及傳感器本身。這些組件被放置在一個共同的基板上，蓋子被放置在組件上，有一個小的孔或網，允許氣體進入傳感器，如下圖。

該傳感器由一個小型發熱元件組成，該發熱元件位于涂有專用金屬氧化物材料的薄膜之下。MOX材料是一個可變電阻，對它所接觸的氣體中的化學物質作出反應。MOX可以被設計成對特定類型或類別的氣體(稱為目標氣體)做出不同的響應。在真空環境中，MOX的阻力可以是幾個MOhms。當加熱時，在目標氣體的存在下，MOX材料的電阻明顯下降，下降到幾十個KOhms。當應用的熱量被消除，和/或測試氣體被消除，MOX阻力恢復到以前的值。

由于實際應用中的熱量，需要測量MOX涂層在真空下的電阻值，然后測量MOX涂層在空氣中存在一定量的目標氣體（以ppm測試）的情況下的電阻值，兩者的比值作為校準設備的依據。在實際操作中，校準的MOX電阻測量是對環境中目標氣體密度的指示。

對傳感器加熱器和MOX測量值的控制，就好比對設備寄存器的讀/寫，由控制器ASIC執行，而ASIC又由測試系統通過I2C接口進行控制。I2C接口是四線制總線，由兩個I2C總線(SCL和SDA)、中斷信號和復位信號組成。下圖詳細說明了MOX傳感器MCM設備的組成。

測試系統需求

為了測試這些設備，測試系統需要具備以下功能和屬性：

測試/校準MOX傳感器的時間可能需要幾十分鐘。由于需要在真空和目標氣體“浸泡”傳感器，所以需要很長的“soak”時間。顯然，使用大型、高性能的半導體測試儀，在soak期間需要閑置一段時間，這樣不能有效的利用這些昂貴的資源。所以，解決方案必須具有較低的初始資本成本。

測試吞吐量很重要。由于駐留時間長，因此系統必須支持非常大的并行測試能力，這樣才能將soak時間內分攤到多個設備上

DUT負載板必須位于一個可以對氣體濃度進行精確控制的封閉環境中。這就排除了使用處理handler來加載和卸載設備，導致需要手動插入和刪除設備的典型應用方法。因此，操作人員需要一種方法來直觀地識別手工裝訂的傳遞和故障組件。

一旦達到了預期的soak時間，所有的測量都需要在不到一秒的時間內完成，以避免由于不同的浸泡時間而產生的結果偏差。

由于組件是一個新的設計，系統需要可擴展，因此測試容量會隨著產量的增加而增加。

wafer級ASIC測試完成后，設備通過通用I2C從地址到達封裝測試。系統需要有能力對每個設備的I2C總線進行隔離，從而消除了修改從地址進行測試的需要。由于加載板涉及到DUT的手動插入，因此在開始冗長的測試過程之前，需要一種測試方法來驗證正確的組件插入。一個簡單的接觸測試實現了這一點，因此系統需要提供PMU/pin功能。

系統實現

架構

該方案選擇的架構是一個基于PXI的混合（hybrid）系統，由PXI儀器和USB控制的外部儀器組成。注意，在這種情況下使用hybrid一詞并不意味著PXI Express hybrid；PXI儀器均為標準PXI-1。在此文中，hybrid是指PXI和非PXI工具的結合。

電源

在正常或空閑狀態下，設備的工作電流很低，但在測量過程中，實驗表明，當傳感器加熱器被激活時，每個設備的涌流可能很高。為了支持大型多站點配置(最多512臺設備)，PXI power解決方案被認為是不夠的，所以選擇了外部Keysight E36313A電源。

數字儀器