基于VEE的MEMS濾波器在片測試系統(tǒng)

馬杰+孫天玲+楊志虎+張力江+崔玉興

摘要：MEMS濾波器具有小型化、低插損、高帶外抑制等優(yōu)點，是微波通信系統(tǒng)研究的重要方向之一。隨著MEMS濾波器需求量的不斷增加，傳統(tǒng)的手動測試篩選方式已經(jīng)不能滿足多通道組件裝配的需求。本文采用 Agilent VEE作為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一種 MEMS濾波器自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了濾波器在片微波測試和數(shù)據(jù)自動存儲，能夠滿足大規(guī)模測試的要求。

關(guān)鍵詞：Agilent VEE；MEMS濾波器；在片測試系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0124-02

MEMS Filter On Wafer Test System Based on VEE

Ma Jie， Sun Tianling， Yang Zhihu， Zhang Lijiang， Cui Yuxing

（The 13th Institute， CETC， Shijiazhuang 050051， China）

Abstract：The MEMS filter has good quality in miniaturization， low insertion loss and high band rejection， which is one of the important directions in the research of microwave communication system. As the increasing demand of MEMS filter， the traditional manual testing already can't meet the requirements of multi-channel module assembly. This letter justly introduces a way to realize MEMS Filter automatic test system based on Agilent VEE software platform. This system solves the on wafer microwave test， automatic data storage， and has a good prospect in large-scale MEMS filter test.

Key Words：Agilent VEE； MEMS filter； on wafer test system

濾波器在信號傳輸鏈路中起著頻率選擇作用，是微波通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。隨著單片微波集成電路（MMIC）的發(fā)展，傳統(tǒng)濾波器已經(jīng)無法滿足射頻微波組件小型化的要求。MEMS濾波器不僅具有低的插入損耗、高的Q值和良好的帶外抑制，而且在體積和可集成性上具有明顯的優(yōu)勢，是微波選頻元件的熱門研究方向[1-3]。

MEMS濾波器在使用前需要進行測試篩選，判斷其指標是否滿足要求。傳統(tǒng)篩選方法采用手動測試和記錄數(shù)據(jù)，測試效率低，無法滿足大批量產(chǎn)品的供貨要求。本文正是基于此開展研究，通過VEE程序?qū)崿F(xiàn)探針臺控制、S參數(shù)提取計算和測試數(shù)據(jù)存儲。測試過程完全自動化，生成數(shù)據(jù)實時顯示，并自動保存到相應(yīng)的文件夾。

1 測試系統(tǒng)的組成

測試系統(tǒng)由探針臺、測試儀器和控制電腦三部分組成，采用GPIB接口進行通信。在測試過程中，通過Agilent VEE程序?qū)ο到y(tǒng)各組成部分進行控制和數(shù)據(jù)交換，計算濾波器參數(shù)，最后以s2p和Excel格式進行數(shù)據(jù)存儲。

1.1 硬件部分

測試系統(tǒng)采用GPIB總線進行通信控制[4]，按照圖1方式進行連接，實現(xiàn)硬件控制和數(shù)據(jù)采集功能，圖中粗實線表示微波通路，虛線表示GPIB控制通路。測試系統(tǒng)中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀提供射頻信號激勵和S參數(shù)測量，微波探針臺進行移動控制和壓針，測試計算機用于系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)交換和存儲。

1.2 軟件部分

1.2.1 軟件平臺

Agilent VEE與NI LabVIEW 是目前兩大主流的虛擬儀器編程開發(fā)平臺[5-6]。Agilent VEE與本系統(tǒng)采用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有良好的兼容性，同時在EXCEL程序調(diào)用方面具有明顯的優(yōu)勢，因此本測試系統(tǒng)采用VEE作為軟件支撐平臺。

1.2.2 測試流程

MEMS濾波器測試流程如圖2所示，由移動壓針、S參數(shù)測試、參數(shù)計算和數(shù)據(jù)存儲四個步驟組成，數(shù)據(jù)存儲步驟包括S參數(shù)存儲和濾波器參數(shù)匯總數(shù)據(jù)存儲。每個測試步驟可以分解為若干測試動作，每個測試動作對應(yīng)的控制命令在時序上進行組合，即可實現(xiàn)整個測試流程。

（1）探針臺移動。自動測試與手動測試的根本區(qū)別在于探針臺移動和壓針方式。本系統(tǒng)使用的半自動探針臺可以通過VEE程序控制，按照測試Map逐個芯片移動和壓針。

（2）S參數(shù)測試。MEMS濾波器小信號S參數(shù)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，測量前需要使用校準件進行系統(tǒng)校準。相比傳統(tǒng)的SLOT校準方式，本系統(tǒng)采用LRRM方式進行校準可以有效消除微波探針更換對測試結(jié)果的影響[7]。

系統(tǒng)校準驗證完成后，即可通過VEE程序發(fā)送控制命令，完成矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量起始頻率、頻率步進、信號電平和中頻帶寬等設(shè)置。測試過程中，待探針臺完成壓針操作，程序立即觸發(fā)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀開始測量，即可獲取MEMS濾波器的小信號S參數(shù)[8]。

（3）濾波器參數(shù)計算。MEMS帶通濾波器的關(guān)鍵參數(shù)主要有中心頻率f0、通帶寬度BW、插入損耗IL、回波損耗RL、帶內(nèi)駐波VSWR和帶外抑制等。以1dB帶寬為例，以上參數(shù)計算步驟如下：

搜索S21數(shù)列中的最大數(shù)值，即插入損耗最小值；在中心頻率f0對應(yīng)S21數(shù)值減去1dB為目標值，在中心頻率f0兩側(cè)找到目標值對應(yīng)的頻率f1和f2。f1和f2的平均值即為中心頻率f0，差值f2-f1即為濾波器的1dB帶寬BW1dB；endprint

指定通帶外頻率點或范圍對應(yīng)的S21，即濾波器為帶外抑制。濾波器回波損耗RL是S11的相反數(shù)，反射系數(shù)Г和帶內(nèi)駐波VSWR可以由S11計算獲得，具體計算公式如下：

（1）

VSWR=（1+Г）/（1-Г） （2）

以上運算過程均可以通過VEE程序公式編輯直接實現(xiàn)，運算數(shù)據(jù)實時輸出到程序界面，并同步保存到數(shù)據(jù)存儲文件。

1.2.3 測試數(shù)據(jù)存儲

測試數(shù)據(jù)存儲包含小信號S參數(shù)存儲和濾波器參數(shù)匯總數(shù)據(jù)存儲。小信號S參數(shù)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量，然后由測試程序命名并以s2p格式存儲到對應(yīng)文件夾。MEMS濾波器參數(shù)由小信號S參數(shù)計算生成，連同圓片信息和測試點坐標等數(shù)據(jù)按行在指定Excel中存儲，最后生成匯總文件。

2 測試結(jié)果

使用某型號MEMS 濾波器進行在片測試并與劃片后手動測試結(jié)果進行對比，表1為對比測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰹V波器各項性能指標的誤差均在1.5%以內(nèi)。兩者測試過程均采用相同型號的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針。

3 結(jié)語

基于VEE的MEMS濾波器在片測試系統(tǒng)能夠大幅提升測試效率，可以滿足大批量測試的要求，已應(yīng)用與實際芯片篩選中。根據(jù)在片測試數(shù)據(jù)及坐標可以重構(gòu)出各個參數(shù)的片內(nèi)分布，極大的方便了數(shù)據(jù)查閱、工藝監(jiān)測和問題分析。

參考文獻

[1]X.L. Guo，C.W. Sun，Z.H. Bao，C. Xu，G. Zhang，Z.L. Wang，H.H. Yin，X.F. Zhang，H. Jiang. Tunable Low-pass Ka-band MEMS Filter Based on Electromagnetic-Bandgap Structure[J]. Sensors & Actuators： A. Physical，2016.

[2]Michael Farnsworth，Ashutosh Tiwari，Meiling Zhu. Multi-level and multi-objective design optimisation of a MEMS bandpass filter[J]. Applied Soft Computing，2016.

[3]陳熙，李豐，馬文濤，李宏軍.基于硅MEMS腔體技術(shù)的微波帶通濾波器[J].微納電子技術(shù)，2015，（05）：299-303.

[4]何宏，張金洲，張志宏.基于GPIB接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].天津理工大學學報，2014，（01）：30-33.

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[7]全凌云.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準方法研究[J].電子質(zhì)量，2010，（03）：61-63.

[8]VEE Pro Advanced Techniques. Agilent 產(chǎn)品手冊[Z].2010.endprint