针对微机电系统的测试访问与测试优化方法研究

As the progress of on-chip integration technology and the rapid development of the Internet of Things industry, Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) has rapidly become an emerging hot spot of the industry and research community of Integrated Circuits (ICs). Because MEMS are usually constitute by sensors, analog/digital circuit portions with different structures, and they are usually utilized in applications with high reliability requirement such as aerospace and medical industries, it has become a serious matter of concern about how to perform its test and ensure its reliability effectively with low cost. Compared with traditional IC testing, MEMS testing is facing many new problems and challenges: the sensor and analog/digital circuit portions of MEMS have different testing requirements; diverse structures of sensors require different test access schemes; as they are usually unable to take advantage of the cost advantages of the mass production test, it is required to reduce the test cost of MEMS as much as possible by design; to guarantee their reliability in the work mode, it is required to provide the function of in-field testing. Existing researches usually cannot effectively solve the above problems, which makes the testing and reliability of MEMS become the bottleneck in the development of its industry. Therefore, according to the above key issues and challenges, this project proposes to design and implement the test access mechanism and test cost optimization schemes for MEMS, in order to achieve the reliability enhancement and the product cost reduction for MEMS.

随着片上集成技术的提高和物联网产业的迅速发展，微机电系统（MEMS）已迅速崛起为集成电路产业与研究界的新兴热点。由于MEMS通常由结构各异的传感器、模拟与数字电路部分构成，并且通常应用于航空、医药等对可靠性要求较高的领域，如何有效低成本的实现其测试并保证其可靠性已成为一个非常值得关注的问题。与传统的集成电路测试方法相比，针对MEMS的测试面临许多新的问题与挑战：其包含的传感器、模拟与数字电路部分具有不同的测试需求；多样化的传感器结构需要不同的测试访问方案；由于其通常无法利用量产测试的成本优势，需通过设计尽量降低其测试成本；为保证其工作时的可靠性，需提供片上检测功能等。已有研究往往无法有效解决以上问题，使MEMS测试与可靠性成为其产业发展的瓶颈。因此，本研究拟针对以上关键问题与挑战，设计并实现针对MEMS的测试访问机制与测试成本优化方案，从而实现提高MEMS可靠性并降低其生产成本的目的。

本研究拟解决的主要问题在于如何有效实现MEMS的测试访问并对其测试进行优化，所采取的主要手段是将传统集成电路测试中常用的BIST概念引入到MEMS系统中。首先针对不同类型的MEMS系统研究得到相应的测试激励与响应转化方法，然后用其指导测试激励与响应访问通路的设计；在对系统和故障进行分析与建模的基础上，设计提出并实现优化的测试激励生成器与测试响应分析器，并设计提出有效的故障诊断方法。本项目在执行过程中在圆满完成以上研究计划的基础上，还拓展性的提出了其他相关MEMS测试优化设计方法，并发表了相关研究成果。.在理论研究方面：从测试激励需求角度出发，对已有主流MEMS从结构特点上进行分类。从测试激励生成和测试响应分析的角度来说，与用于其他系统的测试访问方案不同，MEMS系统测试更看重的是功能测试，因此针对不同MEMS传感器的特征，分析了其输入输出间关系，并据此有针对性的进行测试激励的生成和测试响应结果分析。在方法学方面，在将BIST方案引入MEMS结构从而实现MEMS内建自测试方案的基础上，本研究还提出了协同实现内建自测试与内建自校准的创新性方案。在设计校准方案时，提出了同时考虑阵列型MEMS器件时间与空间维度校正问题的自校正方案。在应用方面，为有效实现MEMS器件与电路的集成，本研究提出了一种适用于传感器微弱信号检测的读出电路，针对包括MEMS热电堆温度传感器、MEMS平行板电容型加速度计及MEMS振动陀螺仪等三类MEMS系统设计并实现了有效的BIST方案，证明本研究所提出的理论与方法能够针对不同类型的MEMS系统实现有效的测试访问与测试优化。