創(chuàng)建基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)邊緣器件會(huì)涉及多個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,因此極具挑戰(zhàn)性(圖1)。但是,在同一硅片上創(chuàng)建一個(gè)既有采用傳統(tǒng)CMOS IC流程制作的電子器件,又有MEMS傳感器的邊緣器件似乎不大現(xiàn)實(shí)。實(shí)際上,許多IoT邊緣器件會(huì)在單個(gè)封裝中集成多個(gè)芯片,將電子器件與MEMS設(shè)計(jì)分開(kāi)。Tanner AMS IC設(shè)計(jì)流程支持單芯片或多芯片技術(shù),因而有助于成功實(shí)現(xiàn)IoT邊緣器件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。不過(guò),本文將著重介紹在單個(gè)芯片上融合CMOS IC與MEMS設(shè)計(jì)的獨(dú)特挑戰(zhàn)。
圖1:一個(gè)典型IoT邊緣器件,涉及數(shù)字、模擬、射頻和MEMS領(lǐng)域
了解設(shè)計(jì)流程
Tanner設(shè)計(jì)流程(圖2)為AMS IC設(shè)計(jì)提供了一個(gè)完整的環(huán)境。
圖2:Tanner AMS設(shè)計(jì)流程
不過(guò),多年以來(lái),Tanner支持自上而下的MEMS IC流程(圖3),能讓客戶將MEMS設(shè)計(jì)融入這一流程中。
圖3:自上而下的IC/MEMS流程
IoT邊緣設(shè)計(jì)要求結(jié)合模擬、數(shù)字、射頻和MEMS這四個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,特別是在同一芯片的情況下。即使組件針對(duì)的是不同芯片之后的結(jié)合,在版圖布局和驗(yàn)證過(guò)程中,它們?nèi)孕枰獏f(xié)同工作。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要繪制混合模擬與數(shù)字、射頻和MEMS設(shè)計(jì),進(jìn)行芯片版圖布局,然后執(zhí)行元器件和頂層仿真。在單個(gè)芯片上設(shè)計(jì)電子器件和MEMS涉及以下幾點(diǎn)需要關(guān)注(參見(jiàn)圖3):
原理圖可能包含IC和MEMS器件。IC器件使用SPICE模型進(jìn)行建模,而MEMS器件則可直接在物理域(如機(jī)械、靜電、流體和磁)中創(chuàng)建行為模型(圖4)。S-Edit內(nèi)的MEMS符號(hào)庫(kù)支持MEMS繪制。
圖4:電子器件和MEMS位于同一電路圖上
為了支持初始MEMS/IC仿真,您可以在System Model Builder中利用SPICE或Verilog-A中的解析方程來(lái)創(chuàng)建MEMS模型。結(jié)合MEMS仿真庫(kù),您還可以在初始階段就對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行是否符合預(yù)期的驗(yàn)證。
利用MEMS PCell庫(kù),您可以在L-Edit進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。此外,Library Palette(圖5)提供了許多MEMS器件的基本版圖生成器,您可以將其用作設(shè)計(jì)的初始模型。
圖5:用于創(chuàng)建MEMS器件版圖的Library Palette
然后,您可以生成一個(gè)三維(3D)幾何模型,以便進(jìn)行查看、虛擬原型開(kāi)發(fā),以及導(dǎo)出到有限元分析(FEA)工具。
Compact Model Builder采用的是降階建模技術(shù),因此利用該工具,您可以根據(jù)FEA結(jié)果創(chuàng)建行為模型,并將其用于最終系統(tǒng)級(jí)仿真中。
傳統(tǒng)上,MEMS的設(shè)計(jì)部分從創(chuàng)建MEMS器件的3D模型開(kāi)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,直到獲得滿意的結(jié)果。但是,您需要2D掩模才能制造MEMS器件。如何從3D模型中衍生出2D掩模呢?您可以遵循圖6所示的Tanner流程,即以掩模為導(dǎo)向,然后成功制造出MEMS器件。
圖6:以掩模為導(dǎo)向的MEMS設(shè)計(jì)流程
從L-Edit的2D掩模版圖開(kāi)始創(chuàng)建器件。然后,3D Solid Modeler會(huì)利用這些版圖和一系列的3D制造流程步驟,自動(dòng)生成器件的3D實(shí)體模型。導(dǎo)出該3D模型并使用您喜歡的有限元工具執(zhí)行3D分析,如發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題,可以進(jìn)行迭代。對(duì)2D掩模版圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模缓笾貜?fù)流程。通過(guò)這個(gè)以掩模為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程,您可以在運(yùn)行的MEMS器件中進(jìn)行仿真集成,因?yàn)槟梢灾苯觿?chuàng)建最終用于制造目的的掩模,而不是從3D模型進(jìn)行逆向工作。
執(zhí)行MEMS實(shí)體建模
您可以根據(jù)晶圓代工廠的流程信息設(shè)置制造步驟(圖7)。利用此信息,L-Edit可以為MEMS器件建立制造流程每一步的3D實(shí)體模型。
圖7:制造流程編輯器
您可以與生成的3D模型(圖8)進(jìn)行交互,例如旋轉(zhuǎn)模型,獲取橫截面視圖,另外您還可以診斷制造問(wèn)題。您可以自動(dòng)導(dǎo)出流程每個(gè)步驟的橫截面,以便更好地了解制造流程和您的器件。然后,您可以將模型導(dǎo)出到FEA工具進(jìn)行分析。
圖8:3D模型示例
MEMSIC成功案例
美新半導(dǎo)體有限公司(MEMSIC)開(kāi)發(fā)了一種沒(méi)有可動(dòng)部件的MEMS和CMOS IC加速度計(jì)。其采用了獨(dú)特的熱技術(shù),通過(guò)被加熱的氣體分子測(cè)量加速度(圖9)。其芯片應(yīng)用于需要控制或測(cè)量運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)品中,如汽車(chē)報(bào)警器、移動(dòng)電子設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、電梯控制、患者監(jiān)測(cè)設(shè)備和供游戲使用的頭戴式顯示器。
圖9:MEMSIC加速度計(jì)基本結(jié)構(gòu)
該傳感器大小為1平方毫米,其中心是一個(gè)在高于環(huán)境溫度100度的情況下工作的加熱器。加熱器周?chē)鷮?duì)稱放置著熱電堆,可感測(cè)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(gè)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(hào)中還包括數(shù)字補(bǔ)償/校準(zhǔn)電路。
在不運(yùn)動(dòng)時(shí),熱電堆之間的熱分布是平衡的。但只要運(yùn)動(dòng)或加速,就會(huì)改變加熱器周?chē)膶?duì)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(hào)變化解讀為運(yùn)動(dòng)和加速。
“自從1999年我們開(kāi)始使用Tanner工具以來(lái),其一直都表現(xiàn)得十足可靠。使用Tanner工具進(jìn)行作業(yè)時(shí),我們可以前一分鐘進(jìn)行MEMS設(shè)計(jì),下一分鐘就換到模擬設(shè)計(jì)。并且,我們從未因驗(yàn)證發(fā)生過(guò)流片錯(cuò)誤?!盡EMSIC研發(fā)部門(mén)總監(jiān)這樣評(píng)價(jià)Tanner。
為保持較低制造成本的優(yōu)勢(shì),MEMSIC幾乎完全采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的薄膜材料來(lái)設(shè)計(jì)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。
在加速度計(jì)設(shè)計(jì)方面,MEMSIC工程師使用Tanner流程直接根據(jù)版圖創(chuàng)建3D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10)。版圖生成之后,他們使用L-Edit LVS和L-Edit Standard DRC進(jìn)行驗(yàn)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10:使用L-Edit設(shè)計(jì)的加速度計(jì)版圖
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原文標(biāo)題:使用Tanner在物聯(lián)網(wǎng)邊緣智能器件設(shè)計(jì)中融合CMOS IC與MEMS
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