Einsatz von NI-FPGA-Modulen zur parallelen Vermessung von mikromechanischen Inertialsensoren auf Waferebene

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1 Einsatz von NI-FPGA-Modulen zur parallelen Vermessung von mikromechanischen Inertialsensoren auf Waferebene Dr. Oliver Schwarzelbach Fraunhofer Institut Siliziumtechnologie Firmenlogo

2 Agenda Inertialsensorik am ISIT - Herstellungsprozess - Sensorkonzept - Test-Parameter Testkonzept Umsetzung mit FPGA-Modulen

3 Fraunhofer Institut Siliziumtechnologie

4 MEMS & PowerMOS Produktion clean room class 100 (Ballroom) SMIF concept => class 1 PROMIS Automisation robot

5 Fraunhofer ISIT ISIT Abteilungen Mikrosystemtechnik Design & Simulation IC-Technologie Biotechnische Systeme AVT und Modul Integration Batterie Technologie (Li-Polymer) System-Entwicklung - Design - Simulation - Prototyping - Produktion

6 Mikrosystemtechik (MEMS) Physical Sensors angular rate, acceleration, mass flow Optical MEMS laser projection, micromirror arrays, microlenses RF-MEMS tunable capacitors, capacitive switches, microrelays Emerging fields Piezo-MEMS, Power-MEMS, nano-probe storage, charged particle lithography

7 Inertialsensoren am ISIT Inertialsensoren = Messung von Beschleunigungs- und Rotationskräften Einsatzgebiete: Fahrsicherheitssysteme Navigation Spielekonsolen Bildstabilisation... Mikromechanik

8 Herstellungstechnologie Oberflächenmikromechanik Sacrifical Oxide Freistehende Epi-PolyStruktur Si-Substrat

9 Herstellungstechnologie PSM-X2

10 Sensorkonzept - Drehratensensor Ω=0 Referenzschwingung (primary mode, driving mode) m Ω=0 y Ω 0 Ω x Meßschwingung (secondary mode, sensing mode)

11 Sensorkonzept - Drehratensensor

12 Sensorkonzept - Drehratensensor Arbeitspunkt f

13 Sensorkonzept - Drehratensensor

14 Wichtigste Testparameter Gyro Accel Drehratensensor Resonanzfrequenzen Innendruck / Gütefaktor Mechanische Kopplungseffekte Beschleunigungssensor 3dB-Bandbreite Innendruck / Gütefaktor Beide Leckströme

15 Testkonzept zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften

16 Test Mechanischer Parameter Resonanzfrequenzen Grober Chirp / Feiner Chirp FFT (<1Hz) Plausibilitätscheck durch Amplitudenvergleich Technologiebedingte Toleranz von mehreren hundert Hertz

17 Test Mechanischer Parameter Innendruck der Kavität 1 Gütefaktor : Q = = 2 D ω 2δ

18 Test Mechanischer Parameter Mechanische Modenkopplung QBias ~ k U S / U D

19 Wafer

20 Anforderungen an die Messung Messung aller mechanischer Parameter Messung der Leckströme der Pads untereinander(<1gω) Maximale Flexibilität: Von 1D-Drehratensensor bis 6D- IMU Mehrkanaltestfähig: Paralleltests von bis zu 4 Sensoren gleichzeitig Anzahl der zu testenden Sensoren pro Wafer St.

21 Hardwareanforderungen 8 Signalgeneratoren (Sin + Rect) 3 Synchrone Demodulatoren FFT mit Auflösung von BW=2kHz Peak-Detektion AC/DC-Messung

22 Realisierung mit R-Serien-FPGA-Boards der Firma NI Quelle:

23 Konzept des Testaufbaus (1 Kanal)

24 Testsetup

25 GUI

26 Resultate (1 Kanal) 3400 DUT Referenz: 1D-Gyro Aktion Zeit [s] pro DUT Zeit [s] über Wafer Proberbewegung 1, Resonanzfrequenzen Qbias 0, Q 1, Res 3, Summe [s] 8, Summe [h] 8,41

27 Evolution der Parallelisierung U1 U2 Gyro Accel U4 U3

28 Parallelisierung (4-Kanäle)

29 Testsetup

30 Implementierung in Labview Single Die Testflow Parallel Testflow

31 Implementierung in das Probersystem

32 Resultate (4 Kanäle) 3400 DUT / 4 Kanäle = 850 Kontaktierungen Aktion Zeit [s] pro DUT Zeit [s] über Wafer Proberbewegung 1,2 1, Resonanzfrequenzen 2 0,8 680 Qbias 0,7 0,4 340 Q 1,5 1, Res 3,5 2, Summe [s] 8,9 5, Summe [h] 8,41 1,5

33 Zusammenfassung Maximalziel: In weniger als 3h 3400St. mikromechanische 6D-IMU-Sensoren mechanisch & elektrisch zu charakterisieren Lösung: Volle Implementierung aller notwendigen Messprozeduren auf jeweils einem PXI-FPGA-Board der Firma NI Realisierte 4-fach Mehrkanal-Lösung durch einfache Vervielfachung der Hardware unter Verwendung von Labview / Labview FPGA Kostengünstigste Lösung ohne nennenswerte Nachteile in der Performance im Vergleich zu vergleichbaren Lösungsansätzen Voll qualifiziert und auditiert gemäss TS16949

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