如何将CMOS IC与MEMS融合到物联网边缘智能器件设计中？

创建基于传感器的物联网（IoT）边缘器件会涉及多个设计领域，因此极具挑战性（图1）。但是，在同一硅片上创建一个既有采用传统CMOS IC流程制作的电子器件，又有MEMS传感器的边缘器件似乎不大现实。实际上，许多IoT边缘器件会在单个封装中集成多个芯片，将电子器件与MEMS设计分开。Tanner AMS IC设计流程支持单芯片或多芯片技术，因而有助于成功实现IoT边缘器件的设计和验证。不过，本文将着重介绍在单个芯片上融合CMOS IC与MEMS设计的独特挑战。

图1：一个典型IoT边缘器件，涉及数字、模拟、射频和MEMS领域

了解设计流程

Tanner设计流程（图2）为AMS IC设计提供了一个完整的环境。

图2：Tanner AMS设计流程

不过，多年以来，Tanner支持自上而下的MEMS IC流程（图3），能让客户将MEMS设计融入这一流程中。

图3：自上而下的IC/MEMS流程

IoT边缘设计要求结合模拟、数字、射频和MEMS这四个设计领域，特别是在同一芯片的情况下。即使组件针对的是不同芯片之后的结合，在版图布局和验证过程中，它们仍需要协同工作。设计团队需要绘制混合模拟与数字、射频和MEMS设计，进行芯片版图布局，然后执行元器件和顶层仿真。在单个芯片上设计电子器件和MEMS涉及以下几点需要关注（参见图3）：

原理图可能包含IC和MEMS器件。IC器件使用SPICE模型进行建模，而MEMS器件则可直接在物理域（如机械、静电、流体和磁）中创建行为模型（图4）。S-Edit内的MEMS符号库支持MEMS绘制。

图4：电子器件和MEMS位于同一电路图上

为了支持初始MEMS/IC仿真，您可以在System Model Builder中利用SPICE或Verilog-A中的解析方程来创建MEMS模型。结合MEMS仿真库，您还可以在初始阶段就对整个设计进行是否符合预期的验证。

利用MEMS PCell库，您可以在L-Edit进行版图设计。此外，Library Palette（图5）提供了许多MEMS器件的基本版图生成器，您可以将其用作设计的初始模型。

图5：用于创建MEMS器件版图的Library Palette

然后，您可以生成一个三维（3D）几何模型，以便进行查看、虚拟原型开发，以及导出到有限元分析（FEA）工具。

Compact Model Builder采用的是降阶建模技术，因此利用该工具，您可以根据FEA结果创建行为模型，并将其用于最终系统级仿真中。

传统上，MEMS的设计部分从创建MEMS器件的3D模型开始，然后在第三方有限元分析（FEA）工具（如Open Engineering的OOFELIE：：Multiphysics）中分析其物理特性，直到获得满意的结果。但是，您需要2D掩模才能制造MEMS器件。如何从3D模型中衍生出2D掩模呢？您可以遵循图6所示的Tanner流程，即以掩模为导向，然后成功制造出MEMS器件。

图6：以掩模为导向的MEMS设计流程

从L-Edit的2D掩模版图开始创建器件。然后，3D Solid Modeler会利用这些版图和一系列的3D制造流程步骤，自动生成器件的3D实体模型。导出该3D模型并使用您喜欢的有限元工具执行3D分析，如发现任何问题，可以进行迭代。对2D掩模版图进行适当的修改，然后重复流程。通过这个以掩模为导向的设计流程，您可以在运行的MEMS器件中进行仿真集成，因为您可以直接创建最终用于制造目的的掩模，而不是从3D模型进行逆向工作。

执行MEMS实体建模

您可以根据晶圆代工厂的流程信息设置制造步骤（图7）。利用此信息，L-Edit可以为MEMS器件建立制造流程每一步的3D实体模型。

图7：制造流程编辑器

您可以与生成的3D模型（图8）进行交互，例如旋转模型，获取横截面视图，另外您还可以诊断制造问题。您可以自动导出流程每个步骤的横截面，以便更好地了解制造流程和您的器件。然后，您可以将模型导出到FEA工具进行分析。

图8：3D模型示例

MEMSIC成功案例

美新半导体有限公司（MEMSIC）开发了一种没有可动部件的MEMS和CMOS IC加速度计。其采用了独特的热技术，通过被加热的气体分子测量加速度（图9）。其芯片应用于需要控制或测量运动的产品中，如汽车报警器、移动电子设备、全球定位系统、电梯控制、患者监测设备和供游戏使用的头戴式显示器。

图9：MEMSIC加速度计基本结构

该传感器大小为1平方毫米，其中心是一个在高于环境温度100度的情况下工作的加热器。加热器周围对称放置着热电堆，可感测不同位置的温度。热电堆由一系列热电偶或温度感应元件组成，串联连接以抬高电压。整个传感器完全密封在气腔中，外面是用于放大、控制模数转换的电路，在三轴型号中还包括数字补偿/校准电路。

在不运动时，热电堆之间的热分布是平衡的。但只要运动或加速，就会改变加热器周围的对流模式，使加速方向上的热电堆变得比其他位置上的热。模拟电路将热电堆产生的信号变化解读为运动和加速。

“自从1999年我们开始使用Tanner工具以来，其一直都表现得十足可靠。使用Tanner工具进行作业时，我们可以前一分钟进行MEMS设计，下一分钟就换到模拟设计。并且，我们从未因验证发生过流片错误。”MEMSIC研发部门总监这样评价Tanner。

为保持较低制造成本的优势，MEMSIC几乎完全采用标准CMOS工艺兼容的薄膜材料来设计其传感器。例如，加热器为栅多晶硅，而热电堆的第一层为金属和多晶硅。

在加速度计设计方面，MEMSIC工程师使用Tanner流程直接根据版图创建3D模型，然后进行有限元分析。他们使用L-Edit修改传感器和版图的细节（图10）。版图生成之后，他们使用L-Edit LVS和L-Edit Standard DRC进行验证。最后，从L-Edit导出到GDS版图文件，并送到TSMC进行流片。

图10：使用L-Edit设计的加速度计版图