在CMOS中建构MEMS：Nanusens雄心勃勃的创新梦！
2019-09-11 11:17:20   来源：EE Times   评论：0   点击：

作者：Sally Ward-Foxton（EE Times Europe）

总部位于伦敦和巴赛隆纳的欧洲创新MEMS公司Nanusens有一个雄心勃勃的技术目标：打造可靠且便宜，可与ASIC建构在同一裸芯片上的MEMS器件，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可能吗？大部分人认为不可能，因为CMOS并不是为机械结构设计开发，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、弹簧上的梳齿形状质量块（proof mass）。

Nanusens首席执行官（CEO）Josep Montanya说道：“（机械结构上的）高应力梯度意味着，一旦通过蚀刻释放金属，硅氧化物会大量卷曲，所以机械结构不是平整的！”

内建于CMOS工艺后端的MEMS器件横截面图

“用这些卷曲的金属制造有用的元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MEMS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工艺中，硅可能有40微米厚，但在0.18微米制造工艺中，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，”Montanya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设计有两个裸芯片，在ASIC裸芯片和MEMS裸芯片之间有引线键合。这样会产生高达10皮法（pF）的寄生电容。将ASIC和MEMS集成在同一个裸芯片上，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器件也使用晶圆键合技术，通过将MEMS和ASIC更紧密地结合在一起来减少寄生电容，但Montanya认为，Nanusens的MEMS器件相对来说仍更具有优势。

Montanya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芯片外面，即使它键合在顶部。在同一个芯片上工作是大幅降低寄生电容的唯一方法。”

知识产权（IP）

虽然Nanusens申请了多项知识产权（IP），但这种MEMS结构的设计仍然是个秘密。Montanya暗示这种结构与现有的MEMS器件非常不同。“在传统的MEMS制造中，通常有三层。但是在CMOS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。”Montanya说。

CMOS工艺也为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器件还可以减少静摩擦力——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。分子力把它粘黏起来，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。

Montanya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的MEMS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10000个开关来回的考验，每一次都相当于1000g值。Nanusens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最早计划将其创新技术应用于智能手机，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、MEMS麦克风和其它传感器（如加速度计、骨传导传感器、光学传感器）。其中，加速度计具有两个功能：可以检测耳机何时停用，并关闭耳机以节省电力；还可以作为用户界面实现点击和按两下动作。Nanusens预计在今年11月推出加速度计样品。

无线耳机中骨传导传感器的作用在于：它能检测到我们说话时的耳骨振动。骨传导传感器检测这种振动，并融合来自MEMS麦克风采集的信息，进而协助抑制环境杂讯，Nanusens也正在研发这种惯性传感器。

“我们可以把两种惯性传感器都做得更小，”Montanya说。“现如今，每个芯片是4立方毫米。我们可以把这两个惯性传感器组合成一个约1立方毫米的芯片。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。”他补充说，在小小的无线耳机里，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，更多的存储器，或者只是让耳机变得更小更轻。

图中红色高亮显示部分为Nanusens的MEMS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微米 x 150微米

未来的智能手机将更多配备无线耳机，因此耳机市场将加速成长。“尽管这是一个巨大的市场，并且中国涌现出许多制造这些无线耳机的公司，但它们都使用参考设计（reference design）。”Montanya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MEMS产品融入他们的设计之中。一旦我们打进这些耳机参考设计，销量将是巨大的。”

将ASIC和MEMS的IP整合到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中嵌入一个运动传感器可以增加芯片级别的唤醒和休眠功能。Montanya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工艺节点——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。”

Nanusens首席执行官（CEO）Josep Montanya

尽管Nanusens打算最终将其技术延伸至更低的工艺节点，但这项技术并不会像数字电路那样明显地带来尺寸缩小。在较低的工艺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传感器、湿度传感器、压力传感器，以及磁力计和MEMS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。Montanya表示：“我们预计（RF MEMS）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。在世界移动通讯大会（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？Montanya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。但是，Nanusens将MEMS芯片和ASIC芯片整合能够节约成本。总体来说，Nanusens生产的MEMS传感器本来就更便宜，对于组合传感器来说，其成本优势变得更加明显。

“单个传感器的成本优势为30%。”Montanya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，但数字部分可以共用。与竞争对手添加新传感器时需要更多的裸芯片、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。Montanya之前的公司Baolab Microsystems，在2005年开始为CMOS工艺后端设计MEMS结构。2012年，该公司即将推出其首款CMOS MEMS传感器——“电子罗盘（ecompass）”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Montanya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，Montanya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，”Montanya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MEMS芯片。由于采用了超低漏电（ULL）工艺，ASIC和MEMS设计都需要调整——这种0.18微米的CMOS工艺已经不能与产业相兼容。最新的设计与标准CMOS工艺相兼容，生产则已转移到中芯国际，而台积电（TSMC）为第二选择。

内建在0.18微米CMOS中的2D惯性传感器

这些主流IC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器件供应链需要专业的MEMS代工厂，因而无法快速扩张并满足当前智能手机的市场需求。

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MEMS创新技术。据悉，Nanusens用于无线耳机的运动检测的加速度计样品将在今年第四季提供。

Nanusens目前正在寻找中国战略投资机构，为接下来的批量生产及进入中国市场做好准备工作。如果您对Nanusens感兴趣，请联系Nanusens融资合作伙伴——麦姆斯咨询，邮件：WANGYi@MEMSConsulting.com，电话：0510-83481111。