美新半导体CMOS IC技术，攻克加速度计难题

简介

加速度计在很多市场中都有着重要的作用。智能手机中会用到加速度计，汽车中也会用到加速度计。这一器件在医疗中的应用也是与日俱增。对速度的变化率的测量似乎可以有无限的应用。根据Yole《MEMS产业现状-2018版》报告显示，消费类市场仍是加速度计等惯性MEMS器件最大的细分市场，不过，该领域价格压力巨大，且竞争非常激烈；近年火热的自动驾驶汽车领域则青睐高性能惯性器件，但MEMS技术仍能分得一杯羹；2017年，加速度计等惯性MEMS器件的市场规模约为35亿美元，预计到2023年将增长至40亿美元，2017~2023年期间的复合年增长率高于3%。

设计创建加速度计的技术有很多种。其中一种常用的技术是制造具有弹簧悬挂质量块的 MEMS器件（图1）。发生加速时，质量块将会产生移动进而缩短固定齿和可动齿之间的间隙，电容也相应地发生变化。由于固定齿上加有电压，当质量块移动时，可动齿会由于电容的变化产生电压。测量该电压即可确定加速度。然而，可动部件会受到以下情况的影响：粘滞（两个紧密相邻的表面彼此粘附，如梳齿）、振动产生的误差以及冲击力（g-force）导致的可动部件的断裂。

图1：质量块MEMS加速度计示意图

现在让我们聚焦到位于马萨诸塞州安多弗的MEMSIC? Inc.（美新半导体有限公司，以下简称MEMSIC）。MEMSIC开发了一种没有可动部件的MEMS和CMOS IC技术。采用独特的热技术，通过被加热的气体分子来测量加速度。因此，MEMSIC加速度计具有诸多优势：

无粘滞作用

可承受50kg以上的冲击力

无可测谐振（具有抗振性）

零g失调稳定

无可测的迟滞现象

要将混合信号处理电路与MEMS器件设计到同一芯片上非常困难，不过MEMSIC已成功将这些技术集成到同一硅片上，并且已向各行业批量供应了多款加速度计。该公司还克服了另外两大障碍，做到了坚持使用标准CMOS IC工艺从而维持低成本生产并且使用Tanner的单套工具将设计开发标准化。

检测加速和运动

大多数加速度计依靠滑块确定运动，但MEMSIC却使用硅中热机械传感器（图2），因此从众多竞争产品中脱颖而出。

图2：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。

由于没有可动部件，MEMSIC的加速度计在测量倾侧、倾斜、冲击和振动方面，比对应的机械部件要更持久、更可靠，且耐冲击性可达到25倍以上（大于50kg）。其加速度计芯片广泛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、病患监测设备和供游戏使用的头戴式显示器。

模拟电路和MEMS设计共用一套工具

“早在1990年代我们设计中心就使用了Tanner工具，自此之后，我们也一直使用着它们，”MEMSIC技术合作与开发总监蔡永耀解释说，“我们的加速度计结合了MEMS IP和模拟电路IP，而Tanner工具对于我们的电路和传感器而言都相当灵活。我们将传感器建模为一个电阻，另外，由于热电堆具有极性，我们也可以将它建模为极化电阻。”

“自从1999年我们开始使用Tanner工具以来，其表现一直都十分可靠。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。”蔡永耀又说道。

在加速度计设计方面，MEMSIC工程师使用建立在Tanner L-Edit?之上的SoftMEMS?产品 MEMS Pro来设计和分析MEMS。实际上，早期MEMSIC产品甚为简单，不需要完全的机械仿真，因此MEMS工程师可以直接在L-Edit中工作。

MEMSIC工程师使用MEMS Pro直接根据版图创建三维模型，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3）。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3：使用L-Edit设计的加速度计版图

MEMS设计和CMOS制造

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。

“我们与竞争对手相比，拥有一个巨大的优势，”蔡永耀继续说道，“我们的工艺几乎独立于晶圆代工厂，因为我们的设计95-99%都是CMOS工艺。我们可以轻松变更工艺和晶圆代工厂，选用定价更为合理的厂家。而我们的竞争对手则采用专有的MEMS工艺，自行制造或通过专门的晶圆代工厂制造，这肯定比与传统CMOS晶圆代工厂合作成本更高。”

在更改几何形状方面，MEMSIC同样具有优势。其大多数竞争对手仍在采用老一代的工艺技术，换成较新的MEMS技术将会引进一个截然不同的工艺且转换费用十分昂贵。MEMSIC采用的是最新技术，且其标准CMOS IC工艺使其可以在更改几何形状后迅速提高产量和产能。

9.2万颗加速度计在北京奥运

MEMSIC技术最众所周知的应用是2008年中国北京奥运会在“鸟巢”体育场分发给开幕式所有参与者的电子“摇摆火炬”（图4）。

图4：摇摆火炬

火炬类似于一根20-30cm的魔杖，上有LED线性阵列。挥舞时，随着LED在半空中的明灭，火炬在人们眼前显示标志性的奥运图像——大型体育符号、奥运标志、中文问候语和五个奥运吉祥物。火炬的核心技术包括MEMSIC算法和加速度计（采用Tanner工具设计），用于检测用户手的前后运动并根据图像需求点亮各LED。

“为制作这一奥运宣传工具，我们在这个项目上花了半年的时间，”蔡永耀说，“用户在空中挥动火炬，LED根据运动显示图案。这个示例很好地说明了加速度计在位置、方向和速度方面所能提供的信息量。”

结语

为保持低成本和高性能，MEMSIC需要设计基于MEMS的加速度计，并使用标准CMOS IC工艺进行生产。1999年以来，该公司一直依靠灵活的Tanner工具来设计双轴和三轴MEMS加速度计以及相关电路。