本文说明讨论了气体传感器的半导体制造商如何采用聚焦于测试的解决方案，该解决方案能够以较低的成本提供所需的准确度，容纳非常大的站点数量，并与高性能半导体测试系统的总体吞吐性能相匹配。

应用背景

MEMS技术的应用使得金属氧化物(MOX)气体传感器能够在晶圆级大规模生产，而硅晶圆制造提供了成本降低和大批量可扩展性。这些气体传感器适用于一氧化碳(CO)和各种挥发性有机化合物(VOCs)的精确测量，如乙醇、丙酮和甲苯。这些传感器的应用主要是出于健康和安全考虑，包括环境监测、生物研究、工业控制、便携式呼吸分析仪和家庭空气监测系统。MOX气体传感器采用MEMS技术，大大降低了制造成本。然而，这些传感器中的每一个都必须经过测试，与典型半导体器件的制造和测试相比，这带来了一系列独特的挑战。本应用说明讨论了一家气体传感器半导体制造商如何采用一种聚焦测试解决方案，该解决方案能够提供测试所需的精度，适应非常大的站点数量，并以更低的成本与高性能半导体测试系统的总体吞吐量性能相匹配。

测试系统要求

为了测试这些设备，测试系统需要具有以下功能和属性：

· 测试/校准MOX传感器的时间可能需要数十分钟。由于需要用清洁的空气和目标气体“浸泡”传感器，因此需要较长的“停留”时间。显然，使用大型的高性能半导体测试仪会在气体吸收时间内有效地闲置许多分钟，而不能有效地使用这种昂贵的资源。该解决方案必须具有较低的初始投资成本。

· 测试吞吐量仍然很重要。在较长的停留时间下，系统必须支持非常大的并行测试功能，因此可以在许多设备上分摊浸泡时间，这一点至关重要。

· DUT负载板必须放置在可以精确控制气体浓度的封闭环境中。这排除了使用处理程序加载和卸载设备的典型做法，从而导致需要手动插入和卸下设备。因此，需要一种用于操作员的视觉识别手动装箱的合格和不合格组件的手段。

· 一旦达到所需的浸泡时间，所有的测量都需要在不到一秒钟的时间内完成，以避免由于不同的浸泡时间而导致结果产生偏差。

· 由于组件是新设计，因此系统需要可扩展，因此测试能力可以随着产量的增加而增长。

设备选型

架构

选择的架构是一个混合的基于PXI的系统，由PXI仪器和通过USB控制的外部仪器组成。注意，在这种情况下使用混合一词并不意味着PXI Express hybrid–PXI仪器都是标准的PXI-1。在这里，混合是指PXI和非PXI仪器的组合。

电源

装置在正常或空闲状态下的工作电流非常低，但在测量过程中，实验表明，当传感器加热器被激活时，每个装置的浪涌电流可能相当高。为了支持大型多站点配置(最多512个设备)，PXI电源解决方案被认为是不够的，因此选择了外部电源。一个明显的仪器是为每个被测设备使用一个专用的数字仪器。这将满足为每个设备隔离I2C总线的要求，但这种“暴力”方法的成本将超过整个系统预算。因此，设计了一种交换或多路复用的数字接口实现方案，使每个被测设备都能通过专用的I2C总线进行通信，从而最大限度地减少数字仪器资源。基于成本、信道密度和易用性，选择的仪器是虹科的 GX5295数字I/O卡。

数字仪器

虹科GX5295具有每个插槽32个通道、每引脚PMU、深模式内存和强大的API函数集，可以并行测试8个设备，而不会出现从站地址冲突问题。8：1的多路复用方案允许一个GX5295一次以8个为一组测试64个设备，从而再次避免了从站地址冲突。这种方法使一台便宜的GX5295可以在分配的时间预算内很好地测量一个完整的64位负载板。并且，由于GX5295支持同步多仪器扩展，因此在512个产品上进行测量的时间与测量64个产品的时间相同。  系统扩展仅需增加额外的GX5295，负载板，腔室和ITA电缆即可。总共最多8个(512个DUT)。

负载板

负载板密度设置为64个设备。由于上述原因，这为系统扩展提供了自然的间隔尺寸。为了简化系统/ DUT接口，将多路复用器开关设备放置在负载板上，省去了外部开关和相关的电缆，同时仍保持了良好的信号完整性。

负载板示意图

负载板包括64个三色LED，以可视方式指示每个DUT的通过/失败状态。LED电源包括备用电池，因此即使将负载板从系统中卸下，可视的通过/失败状态也会保留-操作员手动卸下和装箱设备是必需的。进行测试时，负载板上的充电电路可使电池充满电。

由于I2C接口是集电极开路总线，它需要外部上拉电阻来工作。这些电阻会干扰PMU接触测试，以确定是否将DUT正确插入其插座中-流过上拉电阻的电流会淹没ESD二极管的测量值。因此，在进行接触测量时，包括了一个Vcc控制的上拉继电器，以将上拉电阻与Vcc隔离。

上拉隔离

负载板控制

使用便宜的虹科GX5733静态数字I / O模块来控制所有负载板功能(I2C多路复用器，三色LED和Vcc上拉隔离继电器)。开发了一种特殊的驱动程序，可简化负载板的控制。

PXI机箱

选择的PXI机箱是虹科 GX7305大功率机箱。机箱提供20个PXI-1(非表达)插槽-一个用于MXI控制器，一个用于仪器。机箱超出了PXI的最低要求，即电源输出和冷却能力，并且具有监视背板电压和插槽温度的功能。

接口测试适配器(ITA)

专为GX7305的铰链前面板设计了专用的ITA，从而可以在测试系统资源和负载板之间进行简单，干净的布线。来自PXI仪器和外部E36313A电源的电缆均与ITA背面的连接器配对，当铰链面板关闭时，这些连接器在视图中不可见。负载板、质量流量控制器和排气阀的电缆连接至ITA的前部。

接口测试适配器

气体控制

为了便于精确控制DUT中的气体暴露，设计了一个封闭的环境(腔室)来容纳负载板并将测试气体限制在密闭空间内。气体通过流量控制器(MFC)引入腔室，该流量控制器对清洁的干燥空气，加湿的空气和测试气体进行计量，使它们以精确的量混合以达到所需的气体密度(以百万分之一为单位测量)。还为每个腔室提供了一个单独的MFC，以可控体积计量混合气体进入密闭腔室。使用GX5295的J3连接器上的辅助PMU通道执行MFC的控制。排气阀用于在试验完成后将试验气体从负荷板室中排出。排气阀由电磁阀操作，由一个电源供电，并通过ITA上的12 V开关继电器控制。软件用于控制系统的软件是ATEasy，V10版本。为了便于系统的扩展，编写了软件控制程序。ATEasy支持多线程应用程序。对于每个GX5295 /负载板/腔室，ATEasy实例化一个单独的线程，用于处理测量和生成数据记录报告。ATEasy测试应用程序中查询系统安装的GX5295的数量(每个64站点加载板一个GX5295)，然后为每个加载板动态分配一个线程。使用线程同步，可以简化所有线程的通用进程，例如启动针对每个负载板并行运行的数字测试模式。ATEasy应用程序中包括GX5295，GX5733，电源和GX7305机箱监视的驱动程序，以及用于管理数据记录的Excel电子表格驱动程序。在GX5733静态数字仪器的顶部内置了一个MOX驱动程序，用于简化对负载板的控制。所提供的软件包中包括用于高级创建I2C总线模式、连接和加载I2C总线序列的工具，以及下载捕获I2C总线流量以进行诊断和分析的工具。将数据记录到Excel电子表格中有助于使用Excel的所有高级数据分析工具，例如图形、过滤器和将公式应用于所获得的测量值。与DUT的通信是通过I2C总线完成的。如上所述，每个设备都预先配置了相同的I2C从设备地址。如果所有DUT都驻留在同一I2C总线上，则有必要在测试之前用唯一的从站地址对每个设备进行重新编程，以避免总线冲突，然后将从机地址重新编程为默认值以进行交付给客户。每个设备使用专用总线允许所有通信使用默认地址进行，从而节省了时间和金钱，并避免了潜在的人为错误。具有32个I / O通道的单个GX5295可以同时通过8条I2C总线进行通信，而无需担心地址冲突。I2C测试模式是使用ATEasy编写的一个简单实用程序生成的。总线命令是使用一个下拉菜单来构造的，这些菜单中有预定义的总线命令，用于读取和写入设备的寄存器。空闲命令还可用于在需要空闲时间的命令之间插入停滞时间，或者作为数据模式中的可视分隔，以便进行调试。

I2C用户界面实用程序

根据测试过程的要求，为单个设备生成一系列命令。然后使用DIOEasy(图7)(一种用于生成和诊断GX5295数字测试模式的工具)，将单线(四线)总线控制复制到GX5295支持的其余七个总线上。每个测试过程都被编写为一系列独立的模式序列，因此它们可以按所需的任何顺序连接在一起。

ATEasy应用程序中包含一个脱机实用程序，该实用程序执行此串联操作，生成一个大的测试文件，该文件在系统初始化期间快速加载到测试硬件。为了帮助进行调试和诊断，将生成一个文本文件，标识加载的测试的顺序，它们的初始向量地址以及每个模式序列的模式大小。

使用DIOEasy工具编辑I2C模式

在测试执行期间记录每个引脚的状态。测试完成后，实际的总线通信量(命令和DUT响应)可以从硬件上载到DIOEasy，从而允许用户评估和/或记录I2C总线通信。

篇幅有限，我们今天介绍到这里吧。下期我们将继续介绍此次应用案例的具体操作过程。总而言之，怎样在保证成本效益的前提下精确的完成您的测试系统是一个需要多方考量的事，当然，如果您需要一套适合自己产品的半导体测试系统，欢迎随时与我们联系。