高真空测量芯片的自动化筛选设备及方法与流程

本发明涉及测量芯片筛选，特别地，涉及一种高真空测量芯片的自动化筛选设备及方法。

背景技术：

1、微机电系统（mems）技术在传感器领域的应用日益广泛，其中基于气体粘滞阻尼效应的mems真空计因其体积小、响应快、成本低等优势，在中高真空测量领域展现出良好的应用前景。该类传感器通常利用敏感结构在特定真空环境下的阻尼变化引起的谐振特性（如频率、幅值、品质因数等）的改变来实现压力测量。现有技术中，已有通过单一模态频率监测或品质因数测量来获取真空度信息的尝试，但为了拓宽测量量程并提高分辨率，近年来发展出利用同一敏感单元的不同振动模态（如基模与差分扭摆模态）进行复合测量的技术方案。例如，通过激发敏感单元的差分扭摆模态，可以有效提升传感器在低气压区间的灵敏度，实现从零点几帕至数十帕量级的高精度测量。

2、然而，mems器件固有的制造特性给高性能真空计芯片的产业化带来了挑战。由于mems芯片的加工涉及复杂的光刻、刻蚀、薄膜沉积及晶圆级封装等工艺环节，极易引入加工误差（如结构尺寸偏差、膜厚不均）和残余应力。这些因素会导致同批次产出的芯片在关键性能参数上存在显著的离散性。例如，谐振结构的微小组装偏差或应力集中可能导致其谐振频率偏移、品质因数下降、幅值稳定性变差，甚至出现非线性响应。这种离散性若不加以管控，将直接导致最终组装成的真空计产品在测量精度、重复性及长期稳定性方面参差不齐，难以满足高端工业应用对传感器一致性的严苛要求。

3、为保障终端产品的性能一致性，在芯片封装前对其进行高效、精准的筛选与分级至关重要。现有的筛选方式多采用单工位手动测试或半自动化抽检。测试人员需要将单个芯片置于真空夹具中，手动完成接线、抽真空、激励、数据采集与分析等一系列操作，并根据经验判断芯片优劣。这种方式存在诸多问题：首先，测试效率极其低下，难以适应mems芯片大规模量产的需求；其次，人工操作引入的不确定性（如接触压力变化、读数误差）会影响测试结果的准确性；再者，现有方法往往仅关注芯片能否起振或单一频率参数，缺乏对芯片动态性能（如起振响应时间、稳态幅值波动、噪声水平）及线性响应范围的系统性评估，导致筛选维度单一，无法全面反映芯片的实际工作性能；此外，由于缺乏标准化的自动化测试流程，难以实现对海量测试数据的规范化管理与追溯，不利于产品质量的持续改进。

4、因此，亟待一种能够适应mems高真空测量芯片特性的自动化筛选方法，以解决现有技术中测试效率低、筛选维度单一、数据管理混乱及产品一致性难以保障等问题，满足工业化大规模生产的应用需求。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高真空测量芯片的自动化筛选设备及方法，通过构建物理结构初筛-动态性能复判-线性度分级标定的逐级递进式自动化测试流程，并利用映射信息库实现全样本数据闭环管理，以解决现有mems高真空测量芯片筛选中因工艺离散性导致的测试效率低下、评估维度单一及产品一致性难以保障的技术问题。

2、本发明提供一种高真空测量芯片的自动化筛选方法，包括以下步骤：s100、构建稳定的高真空测试环境，并建立待筛选芯片的映射信息库；s200、在高真空测试环境中，对待筛选芯片进行扫频激励以识别谐振特征频率，并检测待筛选芯片电极间的静态电容值，响应于识别到谐振特征频率且静态电容值处于允许偏差范围内，判定芯片物理结构完整，并将谐振特征频率及静态电容值确定为有效表征数据，以供后续性能判别使用；s300、基于有效表征数据中的谐振特征频率，驱动与有效表征数据相对应的待筛选芯片进入稳态振荡，监测起振过程的瞬态响应特性及稳态振荡过程中的幅值稳定性，响应于瞬态响应及幅值稳定性符合预设的动态性能要求，将该待筛选芯片保留为有效测试对象；s400、基于有效测试对象，施加呈梯度变化的激励信号，采集对应的输出响应信号，通过拟合分析获取激励信号与输出响应信号之间的拟合斜率，并界定输出信号保持线性响应的幅值上限，将拟合斜率与预设的多级分类阈值匹配，确定该待筛选芯片的品质等级；s500、将确定品质等级的待筛选芯片的物理标识、品质等级及性能参数关联存储至映射信息库，遍历所有待筛选芯片，直至完成全样本筛选。

3、进一步地，待筛选芯片为基于气体粘滞阻尼原理工作的mems高真空测量芯片，其谐振结构的阻尼损耗随外界真空压力变化。

4、进一步地，步骤s100中建立待筛选芯片的映射信息库，具体包括：为每一待筛选芯片分配唯一的物理标识，并将物理标识与芯片在样品盘上的工位坐标、预设的测试配置参数建立一一对应关系，形成映射信息库中的初始条目。

5、进一步地，步骤s200中扫频激励以谐振特征频率为中心频率，在预设的频率窗口内进行连续扫描；识别谐振特征频率具体包括：提取扫频响应曲线中的幅值峰值点，并将该幅值峰值点所对应的频率确认为谐振特征频率。

6、进一步地，步骤s200中检测待筛选芯片电极间的静态电容值，具体包括：在向待筛选芯片施加固定低频检测信号的状态下，通过电荷积分或交流阻抗测量方式，获取电极间的等效电容值，并将其记录为静态电容值。

7、进一步地，步骤s200中的静态电容值的允许偏差范围具体为：静态电容值与标称电容值的相对偏差δc小于20%~40%；响应于未能识别谐振特征频率或δc≥20%~40%，判定该待筛选芯片为物理结构失效并予以标记剔除。

8、进一步地，静态电容值与标称电容值的相对偏差阈值取20%~40%，是根据同批次mems高真空测量芯片在排除谐振梁崩断、电极吸附等失效模式后的实测电容统计分布确定，旨在兼顾良品通过率与失效剔除率；该相对偏差阈值可根据工艺水平在20%~40%范围内调整；优选地，相对偏差阈值取30%。

9、进一步地，步骤s200中的扫频激励和静态电容检测在同一探针接触状态下完成，不更换物理接触点。

10、进一步地，步骤s300中驱动与有效表征数据相对应的待筛选芯片进入稳态振荡，具体包括：以谐振特征频率作为驱动频率，施加预设起振幅度的激励信号，并维持恒幅或恒压驱动直至振荡幅值收敛；步骤s300中监测幅值稳定性具体包括：在稳态振荡持续时间内，计算输出信号峰峰值的方差或标准差，以量化幅值稳定性。

11、进一步地，步骤s300中驱动芯片进入稳态振荡所使用的谐振特征频率，直接采用步骤s200中确定的有效表征数据中的谐振特征频率，不再重新扫频识别。

12、进一步地，步骤s300中的动态性能要求，具体为：起振过程的瞬态响应时间τ<5s，稳态振荡过程中输出信号的电压信号方差σ2v<5×10-4，且输出信号的底噪δv<10mv；响应于τ≥5s、σ2v<5×10-4或δv≥10mv中的至少一个，判定该待筛选芯片为工艺一致性不合格并予以标记剔除。

13、进一步地，高真空测试环境的压力范围为1×10-3pa~0.1pa；扫频激励的频率扫描范围为0.8

f0～1.2

f0，其中

f0为谐振特征频率。

14、进一步地，步骤s400中，施加呈梯度变化的激励信号，具体包括：在维持驱动频率为谐振特征频率不变的条件下，按照预设的步进增量，依次提高激励信号的驱动电压幅值，每一档位驱动电压下采集一组对应的输出响应信号。

15、进一步地，步骤s400中，呈梯度变化的激励信号具体为：数字模拟转换电压，依次施加的dac参数分别为v0、2v0、…、nv0；拟合分析为将dac参数作为自变量、对应的输出响应信号作为因变量进行线性拟合。

16、进一步地，步骤s400中，界定输出信号保持线性响应的幅值上限，具体包括：计算拟合所得关系的斜率，当连续施加梯度激励导致斜率相对偏差超过5%时，将发生偏差前一档位的输出电压确定为幅值上限vmax。

17、进一步地，步骤s400中，多级分类阈值为基于拟合斜率的区间划分阈值；匹配并确定品质等级具体包括：将当前芯片的拟合斜率与预设的多个斜率区间进行比对，若拟合斜率落于某一区间内，则将对应的等级标签赋予该待筛选芯片；将拟合斜率超出所有预设区间的芯片判定为不合格品。

18、进一步地，多级分类阈值依据芯片的品质因数设定，共包含1至5共五个等级；确定品质等级具体包括：依据拟合斜率的相对偏差，将拟合斜率相近的芯片归入同一等级，并将拟合斜率相对偏差超出5%~25%设定范围或品质因数过大、过小的待筛选芯片剔除。

19、进一步地，步骤s400的梯度激励施加于已由步骤s300确认进入稳态振荡的芯片，且梯度激励期间维持驱动频率等于谐振特征频率不变。

20、进一步地，界定输出信号保持线性响应的幅值上限与确定品质等级，均基于同一次梯度激励所获输出响应信号的拟合分析结果，不分别执行两次激励测试。

21、进一步地，步骤s500中关联存储至映射信息库，具体包括：将待筛选芯片的物理标识作为索引键，将品质等级、谐振特征频率、静态电容值、幅值上限及拟合斜率关联更新至该索引键对应的数据库条目中。

22、进一步地，步骤s500中遍历所有待筛选芯片具体包括：根据映射信息库中记录的工位坐标，控制探针依次移动至下一待测工位；若当前工位对应的芯片已被标记为物理结构失效或工艺一致性不合格，则跳过对该工位的激励和信号采集步骤，直接执行下一工位的测试。

23、进一步地，物理结构完整性判别、动态性能判别及品质等级确定按先后次序串行执行，前一项判别未通过的待筛选芯片不进入后一项判别。

24、进一步地，映射信息库在步骤s100建立时仅登记待筛选芯片的物理标识与工位坐标，在步骤s500中将谐振特征频率、静态电容值、幅值上限、拟合斜率及品质等级关联回写至同一物理标识下。

25、进一步地，遍历过程中，对于被判定为物理结构失效或动态性能不合格的待筛选芯片，跳过其梯度激励和拟合分析步骤，直接对下一待筛选芯片执行步骤s200。

26、进一步地，所有待筛选芯片的筛选过程在同一持续维持的高真空测试环境中连续完成，不在两颗待筛选芯片测试之间破坏真空。

27、进一步地，通过自动化筛选设备执行自动化筛选，自动化筛选设备包括位于真空腔内的三轴运动系统；三轴运动系统用于带动探针定位并与待筛选芯片的电极接触，以建立探针与待筛选芯片的电气连接；通过探针与待筛选芯片的电气连接实现：驱动待筛选芯片进入稳态振荡、施加呈梯度变化的激励信号及采集输出响应信号。

28、进一步地，自动化筛选设备包括电路测试系统，电路测试系统的信号调理模块与探针一同安装于三轴运动系统的前端；信号调理模块为便于拆卸的结构，以通过更换或调整信号调理模块适配不同型号待筛选芯片的电极接口及电参数测试需求。

29、进一步地，高真空测试环境由机械泵、第一分子泵、流量计、真空腔及四个高真空电磁阀门构成的真空系统提供；高真空电磁阀门包括第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；其中，第一阀门连接于真空腔与大气之间，第二阀门连接于机械泵与第一分子泵之间，第三阀门连接于第一分子泵与真空腔之间，第四阀门连接于真空腔与机械泵之间，流量计连接于气源与真空腔之间，真空计安装于真空腔以监测腔内压力；在遍历测试过程中，通过选择性地控制第一阀门、第二阀门、第三阀门或第四阀门中的至少一个的通断状态，配合机械泵的粗抽运行及第一分子泵的高真空抽气运行，并结合流量计向真空腔的定量进气调控以及真空计的压力反馈，使真空腔内的压力稳定在预设值。

30、根据本发明的另一方面，还提供了一种高真空测量芯片的自动化筛选设备，包括：封闭测试系统，用于为裸die芯片提供测试腔体以及装夹平台，并基于特征坐标对裸die芯片的空间位置进行实时校正，动态规划多自由度测试针路径以实现测试针与裸die芯片电极的精准接触和信号采集，最终由上位机分析数据完成自动化筛选；真空分级维持系统，布设于封闭测试系统上并连接至测试腔体，用于依据预设压力阈值分阶段执行抽气作业，先在第一阶段将测试腔体内压力快速降至第一临界压力以实现高效排空，随后转入精细调控模式持续抽至目标真空度并维持微抽状态，从而构建并稳定低压基底环境；压力阻尼调节系统，布设于封闭测试系统上并连接至测试腔体，用于通过在目标真空度下注入惰性气体并动态匹配微抽速率，实时抵消泄漏效应以维持腔体压力的恒稳和动态平衡，从而形成具有阻尼特性的动态恒压环境；控制系统，分别与封闭测试系统、真空分级维持系统和压力阻尼调节系统电连接，用于进行协同作业控制，并接收、记录和处理测试数据。

31、进一步地，真空分级维持系统包括真空粗抽系统、真空细抽系统和标准真空计；通过标准真空计实时监测腔压；通过启动真空粗抽系统，对测试腔体快速抽气，以使测试腔体内腔达到预设的第一临界压力，实现测试腔体的快速排空；通过在测试腔体快速排空后，关闭真空粗抽系统并启动真空细抽系统，对测试腔体抽气，以使测试腔体内腔达到预设的目标真空度，并在目标真空度下开启微抽保持模式。

32、进一步地，真空粗抽系统包括第一机械泵和第一真空阀，第一机械泵通过第一真空阀连接至封闭测试系统；通过第一机械泵与第一真空阀的协同工作，以对测试腔体快速抽气，进而使测试腔体内腔达到预设的第一临界压力，实现测试腔体的快速排空；第一临界压力为10pa。

33、进一步地，真空细抽系统包括依次连接的第二机械泵、第一分子泵和第二真空阀，并经由第二真空阀连接至封闭测试系统；通过启动第二机械泵进行前置预抽，以使第一分子泵达到工作压差，然后启动第一分子泵以对测试腔体进行高真空抽气，实时监测腔压至达到预设目标真空度时，通过调节第二真空阀开度以减小通气截面，使第一分子泵运行于低抽速状态，对测试腔体实施连续微抽。

34、进一步地，压力阻尼调节系统包括氮气发生装置以及可控流量计，氮气发生装置经由可控流量计连接至封闭测试系统；通过可控流量计控制氮气发生装置输出的氮气流量，氮气流量与真空分级维持系统提供的微抽状态协同作用，以动态维持测试腔体内的气体平衡，从而形成具有阻尼特性的动态恒压环境。

35、进一步地，封闭测试系统包括：箱体，用于形成测试腔体；承载系统，布设于测试腔体的内腔底部，用于承载并装夹裸die芯片，并通过旋转以实现对裸die芯片的位置微调；移动执行单元，布设于测试腔体内腔并处于承载系统上方，执行端设有测试针，用于通过沿x轴、y轴、z轴的调节控制，以实现测试针分别与每一个裸die芯片的电极接触；视觉定位系统，布设于测试腔体内并处于移动执行单元的执行端，用于通过识别承载系统上的晶圆特征位置点以校正裸die芯片的空间坐标形成位图，以便于联动关联的移动执行单元依据校正的空间坐标在多自由度方向精准趋近裸die芯片的电极并完成接触测试。

36、进一步地，箱体具有顶盖和控制装置，通过控制装置以控制顶盖开启或密封封闭，以便于操作防止或取出裸die芯片；和/或承载系统包括载样台和晶圆装载夹具，通过晶圆装载夹具装夹固定裸die芯片，载样台经由转台连接晶圆装载夹具，以实现晶圆装载夹具及晶圆装载夹具上的裸die芯片旋转微调；和/或视觉定位系统采用高清相机，高清相机用于确认祼die芯片的坐标位置，高清相机抓取整张晶圆上的特征位置点，然后对晶圆位置进行校正，形成位图。

37、进一步地，移动执行单元包括支架、x轴移动单元、y轴移动单元、z轴移动单元、夹具板以及测试针；夹具板处于移动执行单元的执行端，测试针装夹于夹具板上，测试针随夹具板经由x轴移动单元、y轴移动单元、z轴移动单元布设于支架上，以实现测试针沿x轴、y轴、z轴进行移动，进而控制测试针分别与每一个祼die芯片的电极接触，从而实现测试；夹具板具有采集数据模块，经由采集数据模块的采集的数据传送至控制系统，用于记录数值。

38、进一步地，控制系统包括pc；和/或封闭测试系统上还设有泄压阀，用于测试后使测试腔体与外界连通，以使测试腔体内恢复大气压力。

39、根据本发明的另一方面，还提供了一种高真空测量芯片的自动化筛选方法，采用上述高真空测量芯片的自动化筛选设备，包括以下步骤：s10、将裸die芯片固定于载样台上的晶圆装载夹具，封闭测试腔体，启动真空粗抽系统，对测试腔体抽气至预设的第一临界压力，以实现对测试腔体的快速排空；s20、关闭真空粗抽系统，启动真空细抽系统对测试腔体抽气至预设的目标真空度，并在目标真空度下开启微抽保持模式；s30、通过可控流量地向测试腔体内注入惰性气体，调节气体流量并与微抽保持模式相匹配，以维持测试腔体内的压力动态平衡，形成具有阻尼特性的动态恒压环境，以利于对裸die芯片进行电气性能测试；s40、获取晶圆装载夹具上的特征坐标，并校正裸die芯片的空间位置信息，驱动移动装置携带测试针基于校正后的位置信息，在多自由度方向上移动并与对应裸die芯片的电极接触，采集测试数据并传输至pc进行处理，实现芯片的自动化筛选。

40、本发明具有以下有益效果：

41、1、通过物理结构完整性与动态性能一致性的两级前置判别机制，降低了无效测试占比并提升了筛选结果的置信度：在步骤s200中，利用扫频激励识别谐振特征频率并结合静态电容值的偏差判别，能够在毫秒级时间内快速剔除因加工应力导致谐振梁崩断、电极吸附或短路的物理结构失效芯片，将不具备基本电学及机械谐振特性的个体排除出测试队列，避免了后续对其施加复杂激励信号所带来的能耗与时间浪费；在此基础上，步骤s300进一步基于已验证的谐振特征频率驱动芯片进入稳态振荡，并监测瞬态响应特性和幅值稳定性，这一步骤专门针对mems工艺中常见的残余应力不均及结构质量分布偏差进行甄别，通过评估起振响应时间及稳态振荡波形的统计波动特征，排除了虽能起振但动态性能不满足使用要求的芯片；两级筛选逻辑构成了逐阶滤除和样本集纯化，确保了进入后续高精度标定环节的芯片均为物理结构完好且具有良好动态一致性的有效测试对象，从而保障了终产品的测量精度和可靠性。

42、2、通过梯度激励与拟合斜率分析的协同作用，实现了芯片线性响应区间的精确界定与品质因数的间接量化，解决了因非线性效应导致的测量误差及产品离散性问题：步骤s400中施加呈梯度变化的激励信号并采集输出响应信号，并非简单的多点采样，而是通过构建输入（激励）与输出（响应）之间的映射关系，利用拟合分析获取表征芯片灵敏度的拟合斜率；通过观测不同驱动能级下输出幅值的增长速率，能够精准捕捉由于电容非线性效应（如梳齿驱动中的边缘电容效应或大位移下的静电力非线性）导致的增益饱和现象，从而科学界定输出信号保持线性响应的幅值上限；同时拟合斜率本身即为芯片品质因数及灵敏度的重要表征参数；通过将拟合斜率与预设的多级分类阈值进行匹配，能够依据芯片的固有性能差异将其归入相应的品质等级；这种基于物理特性的量化分级方法，克服了现有人工目检或单一参数筛选的局限性，使得同等级别的芯片在后续封装和应用过程中表现出高度一致的电气特性，解决了同批次芯片性能离散性问题。

43、3、通过建立映射信息库并实施全样本数据闭环管理，实现了测试流程的自动化调度和产品质量的可追溯性：步骤s100的映射信息库建立与步骤s500的数据关联存储，构成了整个自动化筛选系统的数据中枢，使得每一个物理标识对应的芯片均拥有一份完整的电子履历，涵盖了从谐振频率、电容值、动态响应参数到线性上限及品质等级的全生命周期测试数据，这种数据闭环不仅支持了步骤间的逻辑流转（如步骤s300基于步骤s200的有效表征数据进行驱动），更为后续的失效分析及工艺改进提供了详实的数据支撑；遍历机制与映射信息库的结合，使得设备能够自动协调真空环境维持、探针定位及信号采集等动作，无需人工干预即可完成从首件至末件的连续筛选，提升了量产环境下的测试通量和一致性。

44、4、各步骤间的逻辑耦合与数据传递产生了协同增效作用，形成了逻辑闭环：步骤s200输出的谐振特征频率直接作为步骤s300的驱动频率，确保了驱动信号始终位于芯片的最佳工作点，避免了失谐驱动带来的测量误差；步骤s300确认的稳态振荡状态为步骤s400的梯度激励提供了稳定的初始条件，保证了拟合分析的准确度；步骤s400获得的品质等级与线性上限则为终端产品的电路匹配提供了直接依据。这种环环相扣的协同作用，使得整个筛选过程在单一的真空环境维持周期内即可完成全样本的多维度评估，不仅节约了反复抽真空所需的时间成本，更避免了多次环境切换引入的测量不确定性。

45、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。