美新半導(dǎo)體CMOS IC技術(shù)，攻克加速度計難題

簡介

加速度計在很多市場中都有著重要的作用。智能手機(jī)中會用到加速度計，汽車中也會用到加速度計。這一器件在醫(yī)療中的應(yīng)用也是與日俱增。對速度的變化率的測量似乎可以有無限的應(yīng)用。根據(jù)Yole《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2018版》報告顯示，消費類市場仍是加速度計等慣性MEMS器件最大的細(xì)分市場，不過，該領(lǐng)域價格壓力巨大，且競爭非常激烈；近年火熱的自動駕駛汽車領(lǐng)域則青睞高性能慣性器件，但MEMS技術(shù)仍能分得一杯羹；2017年，加速度計等慣性MEMS器件的市場規(guī)模約為35億美元，預(yù)計到2023年將增長至40億美元，2017~2023年期間的復(fù)合年增長率高于3%。

設(shè)計創(chuàng)建加速度計的技術(shù)有很多種。其中一種常用的技術(shù)是制造具有彈簧懸掛質(zhì)量塊的 MEMS器件（圖1）。發(fā)生加速時，質(zhì)量塊將會產(chǎn)生移動進(jìn)而縮短固定齒和可動齒之間的間隙，電容也相應(yīng)地發(fā)生變化。由于固定齒上加有電壓，當(dāng)質(zhì)量塊移動時，可動齒會由于電容的變化產(chǎn)生電壓。測量該電壓即可確定加速度。然而，可動部件會受到以下情況的影響：粘滯（兩個緊密相鄰的表面彼此粘附，如梳齒）、振動產(chǎn)生的誤差以及沖擊力（g-force）導(dǎo)致的可動部件的斷裂。

圖1：質(zhì)量塊MEMS加速度計示意圖

現(xiàn)在讓我們聚焦到位于馬薩諸塞州安多弗的MEMSIC? Inc.（美新半導(dǎo)體有限公司，以下簡稱MEMSIC）。MEMSIC開發(fā)了一種沒有可動部件的MEMS和CMOS IC技術(shù)。采用獨特的熱技術(shù)，通過被加熱的氣體分子來測量加速度。因此，MEMSIC加速度計具有諸多優(yōu)勢：

無粘滯作用

可承受50kg以上的沖擊力

無可測諧振（具有抗振性）

零g失調(diào)穩(wěn)定

無可測的遲滯現(xiàn)象

要將混合信號處理電路與MEMS器件設(shè)計到同一芯片上非常困難，不過MEMSIC已成功將這些技術(shù)集成到同一硅片上，并且已向各行業(yè)批量供應(yīng)了多款加速度計。該公司還克服了另外兩大障礙，做到了堅持使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC工藝從而維持低成本生產(chǎn)并且使用Tanner的單套工具將設(shè)計開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化。

檢測加速和運動

大多數(shù)加速度計依靠滑塊確定運動，但MEMSIC卻使用硅中熱機(jī)械傳感器（圖2），因此從眾多競爭產(chǎn)品中脫穎而出。

圖2：MEMSIC加速度計基本結(jié)構(gòu)

該傳感器大小為1平方毫米，其中心是一個在高于環(huán)境溫度100度的情況下工作的加熱器。加熱器周圍對稱放置著熱電堆，可感測不同位置的溫度。熱電堆由一系列熱電偶或溫度感應(yīng)元件組成，串聯(lián)連接以抬高電壓。整個傳感器完全密封在氣腔中，外面是用于放大、控制模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，在三軸型號中還包括數(shù)字補(bǔ)償/校準(zhǔn)電路。

在不運動時，熱電堆之間的熱分布是平衡的。但只要運動或加速，就會改變加熱器周圍的對流模式，使加速方向上的熱電堆變得比其他位置上的熱。模擬電路將熱電堆產(chǎn)生的信號變化解讀為運動和加速。

由于沒有可動部件，MEMSIC的加速度計在測量傾側(cè)、傾斜、沖擊和振動方面，比對應(yīng)的機(jī)械部件要更持久、更可靠，且耐沖擊性可達(dá)到25倍以上（大于50kg）。其加速度計芯片廣泛應(yīng)用于需要控制或測量運動的產(chǎn)品中，如汽車報警器、移動電子設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、電梯控制、病患監(jiān)測設(shè)備和供游戲使用的頭戴式顯示器。

模擬電路和MEMS設(shè)計共用一套工具

“早在1990年代我們設(shè)計中心就使用了Tanner工具，自此之后，我們也一直使用著它們，”MEMSIC技術(shù)合作與開發(fā)總監(jiān)蔡永耀解釋說，“我們的加速度計結(jié)合了MEMS IP和模擬電路IP，而Tanner工具對于我們的電路和傳感器而言都相當(dāng)靈活。我們將傳感器建模為一個電阻，另外，由于熱電堆具有極性，我們也可以將它建模為極化電阻。”

“自從1999年我們開始使用Tanner工具以來，其表現(xiàn)一直都十分可靠。使用Tanner工具進(jìn)行作業(yè)時，我們可以前一分鐘進(jìn)行MEMS設(shè)計，下一分鐘就換到模擬設(shè)計。并且，我們從未因驗證發(fā)生過流片錯誤?！辈逃酪终f道。

在加速度計設(shè)計方面，MEMSIC工程師使用建立在Tanner L-Edit?之上的SoftMEMS?產(chǎn)品 MEMS Pro來設(shè)計和分析MEMS。實際上，早期MEMSIC產(chǎn)品甚為簡單，不需要完全的機(jī)械仿真，因此MEMS工程師可以直接在L-Edit中工作。

MEMSIC工程師使用MEMS Pro直接根據(jù)版圖創(chuàng)建三維模型，然后進(jìn)行有限元分析。他們使用L-Edit修改傳感器和版圖的細(xì)節(jié)（圖3）。版圖生成之后，他們使用L-Edit LVS和L-Edit Standard DRC進(jìn)行驗證。最后，從L-Edit導(dǎo)出到GDS版圖文件，并送到TSMC?進(jìn)行流片。

圖3：使用L-Edit設(shè)計的加速度計版圖

MEMS設(shè)計和CMOS制造

為保持較低制造成本的優(yōu)勢，MEMSIC幾乎完全采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的薄膜材料來設(shè)計其傳感器。例如，加熱器為柵多晶硅，而熱電堆的第一層為金屬和多晶硅。

“我們與競爭對手相比，擁有一個巨大的優(yōu)勢，”蔡永耀繼續(xù)說道，“我們的工藝幾乎獨立于晶圓代工廠，因為我們的設(shè)計95-99%都是CMOS工藝。我們可以輕松變更工藝和晶圓代工廠，選用定價更為合理的廠家。而我們的競爭對手則采用專有的MEMS工藝，自行制造或通過專門的晶圓代工廠制造，這肯定比與傳統(tǒng)CMOS晶圓代工廠合作成本更高。”

在更改幾何形狀方面，MEMSIC同樣具有優(yōu)勢。其大多數(shù)競爭對手仍在采用老一代的工藝技術(shù)，換成較新的MEMS技術(shù)將會引進(jìn)一個截然不同的工藝且轉(zhuǎn)換費用十分昂貴。MEMSIC采用的是最新技術(shù)，且其標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC工藝使其可以在更改幾何形狀后迅速提高產(chǎn)量和產(chǎn)能。

9.2萬顆加速度計在北京奧運

MEMSIC技術(shù)最眾所周知的應(yīng)用是2008年中國北京奧運會在“鳥巢”體育場分發(fā)給開幕式所有參與者的電子“搖擺火炬”（圖4）。

圖4：搖擺火炬

火炬類似于一根20-30cm的魔杖，上有LED線性陣列。揮舞時，隨著LED在半空中的明滅，火炬在人們眼前顯示標(biāo)志性的奧運圖像——大型體育符號、奧運標(biāo)志、中文問候語和五個奧運吉祥物。火炬的核心技術(shù)包括MEMSIC算法和加速度計（采用Tanner工具設(shè)計），用于檢測用戶手的前后運動并根據(jù)圖像需求點亮各LED。

“為制作這一奧運宣傳工具，我們在這個項目上花了半年的時間，”蔡永耀說，“用戶在空中揮動火炬，LED根據(jù)運動顯示圖案。這個示例很好地說明了加速度計在位置、方向和速度方面所能提供的信息量。”

結(jié)語

為保持低成本和高性能，MEMSIC需要設(shè)計基于MEMS的加速度計，并使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC工藝進(jìn)行生產(chǎn)。1999年以來，該公司一直依靠靈活的Tanner工具來設(shè)計雙軸和三軸MEMS加速度計以及相關(guān)電路。