湿度传感器芯片大批量生产的测试装置及测试方法

摘要

本发明提供了一种湿度传感器芯片大批量生产的测试装置及测试方法，包括测量腔、温度传感器、已校准的湿度传感器、Load？Board测试子板、Load？Board测试母板和测试机；其中，所述温度传感器、所述已校准的湿度传感器和所述Load？Board测试子板设置在所述测量腔内；所述已校准的湿度传感器和所述温度传感器设置在所述Load？Board测试子板上；所述Load？Board测试母板电连接所述Load？Board测试子板；所述测试机电连接所述Load？Board测试母板；本发明无需恒温、恒湿条件，不需要复杂的辅助设备，也节约了达到恒温、恒湿所需要的等待时间。

说明书

技术领域

本发明涉及湿度传感器芯片，具体地，涉及一种湿度传感器芯片大批量生产的 测试装置及测试方法。

背景技术

湿度作为基础的物理量之一，在工业、农业、医疗领域的生产活动以及人们的 生活中需要采集，而湿度传感器芯片作为湿度采集的重要手段，在包括个人电脑、 通讯、医疗健康等领域有着广阔的应用前景。特别是随着物联网、可穿戴设备以及 智能家居的兴起，迫切需要一种快速、经济，适合于大批量生产的测量方法。本测 试方法基于湿敏电容C_X和湿度有定量的函数关系，其中湿敏电容C_X和电阻R₁构成谐 振电路，产生谐振频率f_x，和一个电容C_REF、电阻R₂构成的参考谐振电路产生的谐 振频率f_REF相比较，产生PWM波形，其中R₁、R₂有固定的比例关系，PWM波形的占空 比与Δf＝(f_X-f_REF)相关，通过低通滤波器把PWM信号转换成直流电压信号，可 以输出一个和PWM占空比相关的直流电压信号，再通过合适的增益以及输入、输出 阻抗调整，变成和Cx直接相关的直流电压信号Vout，最后通过ADC把直流电压信 号Vout转换成数字信号输出，如图1所示。

快速、经济的要求是指满足测试精度的前提下，占用测试机台、机械手的时间 短。本发明对测试机台、机械手没有特殊要求，为了营造一个相对稳定的湿度环境， 增加一个Chamber(不要求专业的湿度Chamber)，Chamber内的湿度不要求恒定湿 度，如图2所示。本发明人使用此方法可以实现相对湿度(RH)达到±2％的测试精度， 由于湿度传感器芯片的湿敏材料吸收水汽和释放水汽需要一定的平衡时间，为了提 高测量效率，每次置放在Chamber中的DUT数量可以是多颗，比如8颗，这样单颗 芯片平均测试时间小于5秒。

目前的测试方法，为了保证精度，需要在多个湿度条件下测量，同时为了矫正 温度系数，还需要在多个温度条件下测量，测试时间长，比如中国申请号为 201510114499.3，名称为一种湿度传感器响应时间测量装置及测量方法的专利申请， 需要在两个不同的湿度条件下测量两组数据，另外测试装置复杂，测试时间长，不 方便用于大批量生产。再比如申请号为03800112.8，名称为湿度传感器校准方法和 装置及具有可校准湿度传感器的传感装置的专利申请，虽然不需要在多个温度条件 下测试，但是需要在两个压力条件下测试两组数据，同样测试装置复杂，耗时长。 又比如中国申请号为201180030822.9，名称为用于湿度传感器测试方法及其传感器 模块的专利申请，虽然是在一个湿度点，一个温度点条件下测试，但是无法测试出 精确的相对湿度数据，只能定性的判断湿度传感器工作是否正常。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种湿度传感器芯片大批量生产 的测试装置及测试方法。在工厂生产环境任一温度、任一湿度条件下，使用常用的 测试设备，包括Tester、Handler，可以在满足精度的前提下，通过一次Trimming (用来保证测量精度)，两次校准补偿(非线性补偿和温度补偿)，可以快速、经 济的完成湿度传感器芯片的大批量生产测试。

本发明一个方面提供的湿度传感器芯片大批量生产的测试装置，包括测量腔、 温度传感器、已校准的湿度传感器、LoadBoard测试子板、LoadBoard测试母板 和测试机；

其中，所述温度传感器、所述已校准的湿度传感器和所述LoadBoard测试子 板设置在所述测量腔内；所述已校准的湿度传感器和所述温度传感器设置在所述 LoadBoard测试子板上；所述LoadBoard测试母板电连接所述LoadBoard测试子 板；所述测试机电连接所述LoadBoard测试母板；

所述测试机，用于产生待测试器件所需的测试信号，以及收集待测试器件产生 的输出信号；

所述LoadBoard测试母板，用于和测试机通讯，接受测试机的测试信号以及 发送待测试器件产生的输出信号给测试机；

所述测量腔，用于保持待测试器件在相对稳定的温湿度条件下；

所述LoadBoard测试子板，用于在相对稳定的温湿度下采集待测试器件的输 出信号；

所述温度传感器，用于待测试器件温度补偿时的参考温度；

所述已校准的湿度传感器，用于待测试器件的Vout与湿度校准时的参考。

优选地，还包括校准单元；

所述校准单元用于对待测试器件的VREF1、CREF进行相应的校准。

本发明另一个方面提供的湿度传感器芯片大批量生产的测试方法，采用所述的 湿度传感器芯片大批量生产的测试装置，包括如下步骤：

步骤S1：进行第一次修调校准，具体为，通过测量待校准的湿度传感器芯片的 模拟输出电压Vout和所述已校准的湿度传感器模拟输出电压比较，得到VREF1、CREF 的需要校准数据，根据所述需要校准数据对VREF1、CREF进行相应的校准；

步骤S2：进行第二次修调校准，具体为，进行非线性补偿，将待校准的湿度传 感器芯片在测量腔室内的温度、湿度条件下，根据第一补偿数据对待校准的湿度传 感器芯片进行在低湿度RH＝0％-10％和高湿度RH＝90％-100％下进行校准，所述第一补 偿数据为根据多颗湿度传感器芯片在低湿度RH＝0％-10％和高湿度RH＝90％-100％下模 拟输出电压Vout的实测数据拟合得到；

步骤S3：进行第三次修调校准，具体为，进行温度补偿，将待校准的湿度传感 器芯片在测量腔室内的温度、湿度条件下根据第二补偿数据进行校准，所述第二补 偿数据为根据多颗湿度传感器芯片在温度与湿度之间的关系实测数据拟合得到。

优选地，所述步骤1之后还包括如下步骤：

-再次进行待校准的湿度传感器芯片的模拟输出电压Vout测试，并与所述已 校准的湿度传感器模拟输出电压进行比较，确认校准结果。

优选地，所述多颗湿度传感器芯片取自随机不同的3个批次，每一个批次取25 片晶元片；在每一片晶元片取4个湿度传感器芯片。

优选地，还包括如下步骤：

-重复步骤S1至S3。

优选地，所述第一次修调校准、所述第二次修调校准、所述第三次修调校准均 通过模拟到数字转换之后的校准单元模块里的预存数据实现。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明无需恒温、恒湿条件，不需要复杂的辅助设备，也节约了达到恒温、 恒湿所需要的等待时间；

2、本发明在单一温度、湿度条件下进行，无需不同温度间、不同湿度间切换， 在生产环境的温度、湿度条件下即可进行测试；

3、本发明测试时间短：所有校准数据已事先取得，通过校准单元自动实现校 准；

4、本发明测试精度高，因为有一步修调较正，两步非线性和温度的校准补偿， 使得湿度的测量结果更加准确。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中电容式湿度传感器芯片结构示意图；

图2为本发明在测试方法示意图；

图3为本发明经过精确校准的GoldenSample模拟输出电压(Vout)与相对湿 度关系示意图；

图4为本发明中的模拟输出电压(Vout)与相对湿度非线性校准补偿示意图；

图5为本发明中的模拟输出电压(Vout)与相对湿度经过非线性校准补偿后的 示意图；

图6为本发明中的模拟输出电压(Vout)与相对湿度的关系，以及由温度引起 的误差示意图；

图7为本发明中的模拟输出电压(Vout)在不同湿度下的湿度系数示意图；

图8为本发明中的传感器样品取样示意图。

图中：

101为温度传感器；102为已校准的湿度传感器；103为LoadBoard测试子板；104 为待测器件DUT；105为测量腔；106为LoadBoard测试母板；107为测试机；

201为已校准的湿度传感器的Vout与相对湿度的对应关系曲线，用于待测器件测试 时的校准对比；

301为Vout输出电压在室温条件下与相对湿度的关系，其中在低湿、高湿条件下有 明显的非线性；302为Vout输出电压在低湿条件下经过非线性校准后与相对湿度的关系； 303为Vout输出电压在高湿条件下经过非线性校准后与相对湿度的关系；

401为Vout输出电压经过高湿、低湿条件下非线性校准后与相对湿度的关系；402 为Vout输出电压经过非线性校准以及精度校准后与相对湿度的关系；

501为在273.15开氏度(0摄氏度)条件下，Vout输出电压与相对湿度的关系；502 为在298.15开氏度(25摄氏度)条件下，Vout输出电压与相对湿度的关系；503为在 323.15开氏度(50摄氏度)条件下，Vout输出电压与相对湿度的关系；

601为温度误差校准前温度误差与相对湿度的关系；602为温度误差校准后温度误 差与相对湿度的关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的湿度传感器芯片大批量生产的测试装置，包括测量 腔、温度传感器、已校准的湿度传感器、LoadBoard测试子板、LoadBoard测试母板 和测试机；

其中，所述温度传感器、所述已校准的湿度传感器和所述LoadBoard测试子板设 置在所述测量腔内；所述已校准的湿度传感器和所述温度传感器设置在所述LoadBoard 测试子板上；所述LoadBoard测试母板电连接所述LoadBoard测试子板；所述测试机 电连接所述LoadBoard测试母板；

所述测试机，用于产生待测试器件所需的测试信号，以及收集待测试器件产生的输 出信号；所述LoadBoard测试母板，用于和测试机通讯，接受测试机的测试信号以及 发送待测试器件产生的输出信号给测试机；所述测量腔，用于保持待测试器件在相对稳 定的温湿度条件下；所述LoadBoard测试子板，用于在相对稳定的温湿度下采集待测 试器件的输出信号；所述温度传感器，用于待测试器件温度补偿时的参考温度；所述已 校准的湿度传感器，用于待测试器件的Vout与湿度校准时的参考。

本发明提供的湿度传感器芯片大批量生产的测试装置，还包括校准单元；所述校准 单元用于对待测试器件的V_REF1、C_REF进行相应的校准。

本发明提供的湿度传感器芯片大批量生产的测试方法，采用所述的湿度传感器芯 片大批量生产的测试装置，包括如下步骤：

步骤S1：进行第一次修调校准，具体为，通过测量待校准的湿度传感器芯片的模拟 输出电压Vout和所述已校准的湿度传感器模拟输出电压比较，得到V_REF1、C_REF的需要校 准数据，根据所述需要校准数据对V_REF1、C_REF进行相应的校准；

第一次修调较正(trimming)，是解决湿度的测试精度问题，即在全湿度范围内(RH＝0％ -100％)达到测量误差最小。本发明提供的湿度传感器芯片大批量生产测试方法，在大 批量生产条件下，湿度传感器的RH测量精度可以达到：±2％10％RH-90％RH范围内； ±4％RH低湿度(0％RH-10％RH)和高湿度(90％RH-100％RH)范围内。如图1所示，本 发明中DUT湿度传感器芯片的结构示意图。其中，谐振电路的谐振频率f_x，参考谐振电 路的谐振频率为f_REF的表达式如下：

$f_X=\frac{1}{2{\mathrm{\pi R}}_1{C}_X}{f}_{REF}=\frac{1}{2{\mathrm{\pi R}}_2{C}_{REF}}$

$V_O=V_{REF1}·\frac{f_{REF}}{f_X}......\left(1\right)$

V_OUT＝Gain·(V_O-V_REF2)..........................(2)

$V_{OUT}=Gain·(8\frac{C_X}{C_{REF}}·V_{REF1}-V_{REF2})......\left(3\right)$

其把(1)式带入(2)式得到(3)式。其中V_REF2可以设计成由V_REF1镜像产生，电压 完全相同。因此(3)式又可以变为(4)式。

$V_{OUT}=Gain·V_{REF1}(8\frac{C_X}{C_{REF}}-1)......\left(4\right)$

通过第一次修调较正V_REF1以及C_REF，能够得到一个和湿敏电容Cx成线性正比的直流 电压信号Vout。使用一个已精确校准的湿度传感器芯片，作为一个参考，并且已经得到 Vout与相对湿度RH一一对应，如图3所示。

步骤S2：进行第二次修调校准，具体为，进行非线性补偿，将待校准的湿度传感器 芯片在测量腔室内的温度、湿度条件下，根据第一补偿数据对待校准的湿度传感器芯片 进行在低湿度RH＝0％-10％和高湿度RH＝90％-100％下进行校准，所述第一补偿数据为根据 多颗湿度传感器芯片在低湿度RH＝0％-10％和高湿度RH＝90％-100％下模拟输出电压Vout的 实测数据拟合得到；

第二次修调校准，是解决湿度测量的非线性误差，即在低湿度(RH＝0％-10％)和高 湿度(RH＝90％-100％)范围内，湿敏电容的容值Cx与相对湿度不再是理想的线性关系， 因而导致Vout与相对湿度也不再是理想的线性关系，因此有必要进行校准，补偿由于 此非线性造成的误差。

本发明中使用的湿敏电容是一种制作在钝化层之上叉指形状电容，两个电极中间填 充光敏聚酰亚胺，电容值表达式为：

$C_X=\frac{{ϵ}_r{ϵ}_{0}S}{d}={\mathrm{Nϵ}}_r{ϵ}_0(\frac{LH}{d_N}+\frac{L}{2})......\left(5\right)$

其中C_x为湿敏电容的电容值，ε_r为湿敏电容介质聚酰亚胺的相对介电常数，ε₀为 真空介电常数，S为电容极板等效面积，d为电容极板间的等效间距，N为叉指电容的叉 指个数，L为叉指长度，H为叉指高度，d_N为相邻叉指间距。

根据Looyenga的经验公式，给出了光敏聚酰亚胺ε_r相对介电常的计算公式

${ϵ}_r={[\gamma ({ϵ}_2^{1/3}-{ϵ}_1^{1/3})+{ϵ}_2^{1/3}]}^3......\left(6\right)$

其中ε_r为聚酰亚胺吸水后的相对介电常数，ε₂为水蒸气的相对介电常数，它是与 温度相关的一个变量，表达式如下，其中T为开尔文温度，

ε₂＝78.54×[1-4.6x10^-4(T-298)+8.8x10^-6(T-298)²]..............(7)

ε₁为聚酰亚胺在相对湿度RH＝0％时的相对介电常数，本发明人使用的聚酰亚胺ε₁为2.8，

γ为聚酰亚胺吸收水的体积百分数，表达式(Dubinin经验公式)如下：

$\gamma ={\gamma }_m^0\exp [-{\left(\frac{RT\ln RH}{E}\right)}^n-\alpha (T-T_0)]......\left(8\right)$

其中，为固定温度下，湿敏材料所能吸收水汽最大百分比，R为普适气体常数， RH为相对湿度，T为开尔文温度，α为吸附热系数，E为水汽吸附的自由能，n为实验 误差引起的经验参数，与实际制造过程相关。

由以上公式可以看出，湿敏电容的电容值Cx除了与温度相关，会造成测量误差外， 还有公式(5)、公式(6)、公式(8)自身不准确性引起的非线性误差。

本次校准，即是解决公式(5)、公式(6)、公式(8)自身不准确性引起的非线性 误差，校准的函数表达式，来自于300颗湿度传感器芯片，经过实测数据而得到的拟合 函数。

步骤S3：进行第三次修调校准，具体为，进行温度补偿，将待校准的湿度传感器芯 片在测量腔室内的温度、湿度条件下根据第二补偿数据进行校准，所述第二补偿数据为 根据多颗湿度传感器芯片在温度与湿度之间的关系实测数据拟合得到。

第三次修调校准，是解决温度引入的测量误差。从公式(7)、公式(8)可以看到， 湿敏电容的电容值与温度直接相关，同一湿度环境下，在不同的温度条件下，得到的电 容值Cx会不同，造成了测量误差，因此温度必须要校准。从实际测试数据看，同一湿 度，在不同温度的条件下，湿敏电容Cx是不同的，而且越高湿度环境，相差越大，反 映到Vout上，如图6，图7。

所述步骤1之后还包括如下步骤：

-再次进行待校准的湿度传感器芯片的模拟输出电压Vout测试，并与所述已校准 的湿度传感器模拟输出电压进行比较，确认校准结果。

所述多颗湿度传感器芯片具体为300颗湿度传感器芯片，取自随机不同的3个批次， 每一个批次取25片晶元片；在每一片晶元片取4个湿度传感器芯片。

本发明提供的湿度传感器芯片大批量生产的测试装置，还包括如下步骤：

-重复步骤S1至S3。

所述第一次修调校准、所述第二次修调校准、所述第三次修调校准均通过模拟到数 字转换之后的校准单元模块里的预存数据实现。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。