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在CMOS中建构MEMS:一个不可能实现的梦想?

时间:2019-09-11 作者:Sally Ward-Foxton,EE Times Europe特约编辑 阅读:
传感器新创公司有个雄心勃勃的技术目标:打造可靠、便宜,可与其接口ASIC建构在同一芯片上的CMOS微机电系统(MEMS)组件,节省的空间将足以改变消费类电子产品的游戏规则。但从技术上分析,在CMOS中建构MEMS应该是不可能的…

总部位于伦敦和巴塞罗那的欧洲新创公司Nanusens有一个雄心勃勃的技术目标:打造可靠、便宜,可与其接口ASIC建构在同一裸晶上的CMOS微机电系统(MEMS)组件,节省的空间将足以改变消费类电子产品的游戏规则。

在CMOS中建构MEMS应该是不可能的。CMOS并不是为机械结构设计,它的特性至少比现有MEMS传感器结构小一个数量级,而且金属层非常薄。简单粗暴地缩小现有MEMS设计并不能解决这个问题,例如经典的、弹簧上的梳齿状质量块(proof mass)。

Nanusens执行长Josep Montanyà说:“(结构上的)高应力梯度意味着,一旦透过蚀刻释放金属,硅氧化物会大量卷曲,所以结构不是平整的。”

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内建于CMOS制程后端的MEMS组件横截面图。(图片来源:Nanusens)

“用这些卷曲的金属制造有用的组件是一个巨大的挑战,因为除此之外,缝隙非常小,金属层非常薄。这对惯性传感器来说是另一个挑战,因为通常需要一个大的质量块,而薄层材料很难做到这一点。”

在传统的MEMS制程中,硅可能有40微米(µm)厚,但在0.18微米制程中,典型的CMOS层厚度小于1微米。可以利用多层CMOS材料来制造尽可能大的质量块,但是在CMOS规格下刻蚀一个典型的质量块形状,会导致结构高度扭曲。由于高应力梯度,曲率半径很小。在大范本上,这意味着曲率很大。它们的大小也是有限度的,超过一个临界点,结构就会崩塌。

“一方面,(薄层)是一个挑战,因为你无法用此打造一个大的质量块,”Montanyà说。“但另一方面,这也是一个好处,因为它可以让你打造非常柔软的弹簧。它缝隙非常小,且由于曲率很大,所以可视为一个挑战,因此设计可能崩塌。但只要正确设计,它就会带来好处,因为它能让你检测出小幅度的移动。如果缝隙更小,就能感测到更小的绝对位移。”

然后就是寄生电容。典型的MEMS设计有两个裸晶,在ASIC裸晶和MEMS裸晶之间有引线键合。这样会产生高达10皮法(pF)的寄生电容。将ASIC电路和MEMS电路放在同一个裸晶上,可以将寄生电容降低到100飞法(fF)左右(比典型的MEMS设计小2个数量级)。一些最新的MEMS产品也使用晶圆键合技术,透过将MEMS和ASIC更紧密地结合在一起来减少寄生电容,但Montanyà认为,Nanusens的组件相对来说仍更具有优势。

他表示:“(竞争对手的寄生电容)比我们的要大一个数量级以上,因为我们的设计不需要跑到裸晶外面,即使它键合在顶部。在同一个芯片内工作是大幅降低寄生电容的唯一方法。”

知识产权(IP)

虽然Nanusens申请了它的IP专利,但这种结构的确切设计仍然是个秘密。Montanyà暗示这种结构与现有的MEMS组件非常不同。“在传统的MEMS制程中,通常有三层。但是在CMOS制程中,有六个金属层…因而我们有更多的设计选项,去做一些奇怪的事,”Montanyà说。

CMOS制程也为Nanusens提供了几种参考材料:铝、通孔用钨和硅氧化物,这使得一些新颖的设计概念成为可能。Nanusens表示,CMOS MEMS组件还可以减少静摩擦力(stiction)——当大多数MEMS加速度计受到极端外力时,这种静摩擦力会阻止其工作。当质量块接触到被限制空间的边缘时,静摩擦力就会发生。分子力把它黏在墙上,这种作用是不可逆的,静摩擦力取决于质量块的表面积和撞击能量。

Montanyà称:“传统的MEMS加速度计具有非常大的质量块,以及1~2微米的间隙。由于我们的质量块很小,间隙只有0.3微米,所以积累的能量较少,撞击能量也较少。分离所需的力量也更小。”到目前为止测试的Nanusens加速度计样品已经显示出良好的对抗静摩擦力效果,它们经受了超过10,000个开关循环的考验,每一次都相当于1,000G。该公司称,该测试样品的灵敏度也比大多数应用所需的高出一个数量级

市场问题

Nanusens计划将其技术应用于智能型手机,但在过去的六个月里,他们将目标改为无线耳机,因为他们认为该市场规模将扩张、增长更快。

入耳式无线耳机包含电池、扬声器、麦克风和其他传感器,包括运动检测器和惯性传感器。该运动检测器具有两个功能:可以检测耳塞何时停用,并关闭耳塞以节省电力;还可以作为用户接口实现点击和双击动作。Nanusens预计在今年年底前推出运动检测芯片的样品。

耳塞中的惯性传感器作用在于,当我们说话时的耳骨振动,它都能检测到。骨传导传感器检测这种振动,融合来自麦克风采集的信息,进而协助抑制环境噪声,Nanusens正在研发这种惯性传感器。

“我们可以把两个传感器都做得更小,”Montanyà说。“现如今,每个芯片是4立方毫米。我们可以把这两个传感器组合成一个1立方毫米多一点的芯片。这样可以节省超过6立方毫米的空间,而且由于PCB面积的减少,实际上可以节省更多的空间。”他补充,在小小的耳塞里,每立方毫米都有价值:节省下来的空间可以用于搭载更大的电池,更多的功能,更多的内存,或者只是让耳塞变得更小更轻。

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图中红色高亮显示部分为Nanusens NEMS传感器芯片布局。两个传感器占据大约10%的芯片面积,每个结构的尺寸为100×150µm。(图片来源:Nanusens)

随着智能型手机的耳机接口逐步淘汰,无线耳机市场将加速增长,未来的智能型手机将配备无线耳机。“尽管这是一个巨大的市场,并且中国涌现出许多制造这些耳机的公司,但它们都使用参考设计(reference design)。”Montanyà说。“目前只有5家公司提供这些参考设计,我们正与这些公司洽谈。他们喜欢减小传感器尺寸,并且等待(我们产品的)样品融入他们的设计中。一旦我们打进一款这样的参考设计,销量将是巨大的。”

将公司的ASIC和MEMS IP整合到系统芯片(SoC)之中是下一个逻辑步骤,Nanusens已经与MCU制造商进行讨论,因为在MCU中嵌入一个运动检测器可以增加芯片级别的唤醒和休眠功能。Montanyà表示:“需要花一些时间才能看到这种整合如何完成,因为我们必须转到更低的制程节点——这会很有意思,但我们还没有走到这一步。首先我们要将产品推向市场,一旦产品得到实地验证,那么(整合)就会到来。”

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Josep montanyà,Nanusens执行长。(图片来源:Nanusens)

尽管Nanusens打算最终将其技术延伸至更低的制程节点,但这项技术并不会像数字电路那样明显地带来尺寸缩小。在较低的节点上建立一个所需大小的质量块比较困难,但却很有意思,例如将铜线切换至0.13微米节点,因铜的密度比铝高,且它的导电性能也更好。

未来的产品还将包括温度、湿度和压力传感器,以及指南针和麦克风的设计。Nanusens追求的另一条产品路线是天线调谐器的电容式射频(RF)开关。Montanyà表示:“我们预计(RF传感器)在长远看来会发挥更大作用,好消息是我们正朝着这个方向努力。在世界行动通讯大会(MWC)期间,我们展示的一个产品,已引起大家的兴趣。”

成本问题

是否所有这些设计都要比传统的MEMS花费更高的成本?Montanyà将成本分为四部分:ASIC芯片、MEMS芯片、封装、测试和校准,其中Nanusens的方案在ASIC芯片、测试和校准成本与传统MEMS相同。取消独立的MEMS芯片能够节约成本,不过在ASIC芯片进行整合会增加15%的后端处理成本,但因为不需要多裸晶封装(multi-die packaging),所以整体上能够节省成本。总的来说,Nanusens生产的MEMS传感器本来就更便宜,对于传感器组合来说,其成本优势变得更加明显。

“单个传感器的成本优势为30%。”Montanyà说。“如果我们整合更多传感器,可能会更多…在同一个芯片中添加另一个传感器可能会使CMOS面积增加10~20%,可能需要一个新的模拟前端,但数字部分可以共享。与竞争对手添加新传感器时需要更多的裸晶、更多的引线键合等相比,整合传感器的成本优势非常大。”

公司发展蓝图

通往目标的道路并不总是平坦。Montanyà之前的公司Baolab Microsystems,在2005年开始为CMOS制程后端设计MEMS结构。2012年,该公司即将推出其首款CMOS MEMS传感器——“罗盘(compass)”之际,一位主要投资者坚持要求在Baolab进入市场之前将其以高价出售。据Montanyà称,这名投资者还拒绝了美国知名公司的投资提议;2014年,由于找不到买家,Baolab最终关门大吉。同年稍晚,Montanyà成立了Nanusens,并在2016年获得了种子基金。

“Nanusens的三位创始人均来自Baolab Microsystems,”Montanyà表示,但该公司“花了两年时间开展新设计,因为2012年的设计在2016年没有意义…性能要求发生了变化。”2018年,该公司准备发布惯性传感器之时,又由于其代工厂GlobalFoundries停产,再次遭遇挫折,且GlobalFoundries最终出售了MEMS晶圆厂,并完全放弃了MEMS业务。

但Nanusens并没有退缩,而是重新设计了自己的组件。由于采用了超低漏电(ULL)制程,ASIC和MEMS设计都需要调整——这种0.18微米的CMOS制程已经不能与产业兼容。最新的设计与标准CMOS制程兼容,生产则已转移到中芯国际,而台积电(TSMC)为第二选择。

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内建在0.18微米CMOS中的2D运动传感器。(图片来源:Nanusens)

这些主流晶圆代工厂可以提供批量生产能力,满足快速增长的无线耳机市场。相比之下,传统MEMS组件供应链需要专业的代工厂,因而无法快速扩张并满足当前智能型手机的市场需求。

鉴于Montanyà的经验,他选择限制个别风险投资公司的投资,以防止任何外部方持有公司大量股份,就不足为奇了。众筹提供了一种便捷筹资方式,即从大量的小规模投资者(上一轮超过750个)那里筹集到实现批量生产所需的资金。该公司迄今已透过这种方式募集了约200万欧元,去年甚至将总部迁至伦敦,以鼓励英国企业投资计划(EIS)进行投资。据报导,上一轮融资筹集的资金超过目标金额的三倍。

随着令人沮丧的商业问题最终得到解决,Nanusens可以继续推进已经开发了14年的颠覆性创新技术。据悉,Nanusens用于耳机运动检测的加速度计芯片样品将在今年第四季提供。

(参考原文:MEMS in CMOS: An Impossible Dream?,by Sally Ward-Foxton,EETTaiwan编译)

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