Nanusens利用CMOS工艺将MEMS升级为NEMS，提升规模经济效益
2019-04-15 07:21:40 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，为了解决瓶颈问题，英国的一家电子公司Nanusens采用一种新的方法——利用制造绝大多数IC芯片的CMOS标准生产工艺来制造MEMS传感器。由于世界上所有主要的半导体晶圆代工厂都采用CMOS工艺，因此传感器的产量将不再受限制。
传感器已无处不在，当前MEMS（微机电系统）产品的出货量超过数百亿颗，整个市场价值高达一百多亿美元。然而，这个行业存在着一个巨大的问题，制约其市场规模无法快速发展到数万亿美元。每种类型的MEMS传感器的设计与制造都必须采用专门的制造工艺，这种工艺可能需要五到七年的时间“磨合”才能实现批量生产，从而投放市场。而且产量很难扩大，除非建设第二条相同的生产线。由于每种工艺都是独一无二的，因此很难产生像IC那样的规模经济效益。
上述瓶颈阻碍了物联网在任何地方都拥有智能传感器节点的愿景，因为采用目前的MEMS制造技术，无法制造出数万亿个传感器节点。据麦姆斯咨询报道，为了解决瓶颈问题，英国的一家电子公司Nanusens采用一种新的方法——利用制造绝大多数IC芯片的CMOS标准生产工艺来制造MEMS传感器。由于世界上所有主要的半导体晶圆代工厂都采用CMOS工艺，因此传感器的产量将不再受限制。
目前，MEMS传感器主要由两种芯片组成：一种是制作在硅片表面的带有活动部件的MEMS芯片，另一种是含有所有控制电路的ASIC芯片。后者可以很容易使用标准CMOS工艺来制造，但前者带有微小的活动机械部件的芯片需要特殊工艺加工，这也是制约其产量快速增长的主要因素。
Nanusens的解决方案是通过缩小MEMS芯片，使其可以在ASIC芯片的图层中一起形成，从而可以将两种芯片制造/集成于同一颗芯片。MEMS结构可由金属层构成，其制作方式与普通的CMOS芯片金属层工艺相同。然后通过蚀刻去除周围的二氧化硅来释放这种结构，使其能够自由移动。
图1 Nanusens通过缩小MEMS结构，在CMOS层内创建纳米传感器
理论听起来简单，但实际上，金属MEMS结构在释放时，会因金属中的应力而扭曲，且这个问题只存在于金属的释放过程中。因为CMOS工艺从未以这种方式释放金属层。Nanusens的团队花了数年时间来研究和完善MEMS结构，使这些结构在释放后保持稳定。Nanusens为这些设计申请了发明专利，以防止其他人抄袭他们的“MEMS-within-CMOS”突破性技术。
Nanusens制造的MEMS结构比目前的MEMS结构尺寸小十倍，有效地将它们从微米级带入纳米级，使其成为NEMS（纳米机电系统）。其中一款NEMS运动传感器结构的尺寸仅为100 x 150平方微米，占芯片面积不到10%，其余部分为ASIC。
图2 MEMS传感器的芯片布局，其中NEMS结构部分用红框标注
最开始，Nanusens只制造含有一种感测类型的器件，比如二维（2D）运动传感器。然而，随着传感器结构变得非常小，由于可以采用相同的工艺方法，把几种不同类型的传感器结构制造在同一芯片上将变得很容易。还有一个额外的好处，由于ASIC部分可以被重复使用，芯片的总体尺寸只会随着传感器结构的增加而稍微增加。
因此，Nanusens通过使用标准的CMOS制造工艺，同时解决了成本的限制因素（规模经济可以降低价格）和批量生产（现在它们可以在任何工厂生产），从而解决了MEMS传感器产量增长的瓶颈。
此外，这种新型NEMS传感器技术还有其它优势。最终产品的封装尺寸比目前同类产品小得多。主流的MEMS传感器设计需要两颗芯片，封装后的体积约为4立方毫米。Nanusens的NEMS传感器只含有一颗芯片，因此封装体积要小得多，体积仅为1立方毫米。在空间有限的应用中，节省出3立方毫米显得非常弥足珍贵，这就是为什么该公司将耳机定为第一个目标市场的原因。
使用NEMS传感器可以解决耳机的两个问题。首先是电池寿命，因为耳机很小的外形尺寸意味着电池要很小。如果每个传感器可以节约3立方毫米的空间，可以替换更大的电池以获得更长的收听体验。当多个传感器组合成一个Nanusens的NEMS传感器时，可节省的空间就会更大。
图3 耳机的X射线图像显示了封装体内各元件的密集程度
另一个问题是，设计人员希望将越来越多的传感器集成到耳机中，但却遇到无法将它们再装入狭小空间的问题。使用NEMS传感器可解决这个障碍，它允许在耳机中添加更多的传感器，用来检测耳机何时可以待机或关闭，以节省电力，从而改善电池的使用寿命。例如，运动传感器可探测耳机是否佩戴，而温度传感器则可判断它们是在耳朵里，还是在口袋里。
“如果MEMS对你而言还不够小，那么NEMS应该可以满足了。”Strategy Analytics手机组件技术服务总监Stuart Robinson说，“Nanusens已将MEMS技术推向了下一个更小的水平阶段，利用CMOS工艺开发纳米传感器，使NEMS芯片与ASIC芯片在一颗芯片中。对于某些应用来说，这并不是什么大问题，但对于融合了多种传感器的小型设备而言它却是颠覆者，比如集成了加速度计、陀螺仪、压力传感器和温湿度传感器的小型可穿戴设备。传感器缩小所节省的空间为其它组件留出了更多的空间，例如更大的电池。在这些设备中，‘寸土寸金’，每一个立方毫米都很重要，因此，Nanusens的技术将成为赢家。”
图4 使用Nanusens的NEMS传感器可以释放耳机内的空间，以获得更大的电池和更多的传感器
缩小MEMS传感器还有另一个好处。主流MEMS结构的特征尺寸大于1微米，而NEMS结构为0.3微米，因为它们采用的制造工艺节点在0.18微米。这意味着NEMS结构能够更好地承受冲击力，这对于经常掉落的可穿戴设备非常重要。NEMS具有更高的可靠性是因为在NEMS中的负载质量块远小于在MEMS中的负载质量块，在同等冲击条件下质量越小所受到的损坏就越小。负载质量块悬浮在弹簧上，可以通过电容的变化来检测负载质量块的运动变化。另外，较小的结构不易受短程力的影响，比如范德华力，它会引起表面黏附，阻碍部件的运动。
Nanusens已经验证了其技术的可制造性， Nanusens特意将许多原型样品由不同代工厂进行加工，以证明代工厂的工艺独立性。为验证在大多数NEMS设计中的纳米弹簧是可靠的，其纳米开关已经成功地进行了超过4千万次的运动测试。
2019年9月Nanusens将推出2D运动传感器的首批样品，并在2019年晚些时候推出骨传导传感器。由于各类传感器的基本结构非常相似，制造工艺也相同，Nanusens将于2020年推出多种不同感测功能的NEMS传感器，以及基于单芯片解决方案的多传感器组合产品。
Nanusens由Josep Montanya博士、Marc Llamas博士和Daniel Fernandez博士于2014年创立，公司总部位于英国伦敦，在西班牙巴塞罗那和中国深圳设有研发办事处。
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