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使用Tanner在物联网边缘智能器件设计中融合CMOS IC与MEMS
2018-07-29 14:39:33   来源:微迷   评论:0   点击:

IoT边缘设计要求结合模拟、数字、射频和MEMS这四个设计领域,特别是在同一芯片的情况下。即使组件针对的是不同芯片之后的结合,在版图布局和验证过程中,它们仍需要协同工作。设计团队需要绘制混合模拟与数字、射频和MEMS设计,进行芯片版图布局。

简介

创建基于传感器的物联网(IoT)边缘器件会涉及多个设计领域,因此极具挑战性(图1)。但是,在同一硅片上创建一个既有采用传统CMOS IC流程制作的电子器件,又有MEMS传感器的边缘器件似乎不大现实。实际上,许多IoT边缘器件会在单个封装中集成多个芯片,将电子器件与MEMS设计分开。Tanner AMS IC设计流程支持单芯片或多芯片技术,因而有助于成功实现IoT边缘器件的设计和验证。不过,本文将着重介绍在单个芯片上融合CMOS IC与MEMS设计的独特挑战。

一个典型IoT边缘器件,涉及数字、模拟、射频和MEMS领域

图1:一个典型IoT边缘器件,涉及数字、模拟、射频和MEMS领域

了解设计流程

Tanner设计流程(图2)为AMS IC设计提供了一个完整的环境。

Tanner AMS设计流程

图2:Tanner AMS设计流程

不过,多年以来,Tanner支持自上而下的MEMS IC流程(图3),能让客户将MEMS设计融入这一流程中。

自上而下的IC/MEMS流程

图3:自上而下的IC/MEMS流程

IoT边缘设计要求结合模拟、数字、射频和MEMS这四个设计领域,特别是在同一芯片的情况下。即使组件针对的是不同芯片之后的结合,在版图布局和验证过程中,它们仍需要协同工作。设计团队需要绘制混合模拟与数字、射频和MEMS设计,进行芯片版图布局,然后执行元器件和顶层仿真。在单个芯片上设计电子器件和MEMS涉及以下几点需要关注(参见图3):

• 原理图可能包含IC和MEMS器件。IC器件使用SPICE模型进行建模,而MEMS器件则可直接在物理域(如机械、静电、流体和磁)中创建行为模型(图4)。S-Edit内的MEMS符号库支持MEMS绘制。

电子器件和MEMS位于同一电路图上

图4:电子器件和MEMS位于同一电路图上

• 为了支持初始MEMS/IC仿真,您可以在System Model Builder中利用SPICE或Verilog-A中的解析方程来创建MEMS模型。结合MEMS仿真库,您还可以在初始阶段就对整个设计进行是否符合预期的验证。

• 利用MEMS PCell库,您可以在L-Edit进行版图设计。此外,Library Palette(图5)提供了许多MEMS器件的基本版图生成器,您可以将其用作设计的初始模型。

用于创建MEMS器件版图的Library Palette

图5:用于创建MEMS器件版图的Library Palette

然后,您可以生成一个三维(3D)几何模型,以便进行查看、虚拟原型开发,以及导出到有限元分析(FEA)工具。

• Compact Model Builder采用的是降阶建模技术,因此利用该工具,您可以根据FEA结果创建行为模型,并将其用于最终系统级仿真中。

传统上,MEMS的设计部分从创建MEMS器件的3D模型开始,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,直到获得满意的结果。但是,您需要2D掩模才能制造MEMS器件。如何从3D模型中衍生出2D掩模呢?您可以遵循图6所示的Tanner流程,即以掩模为导向,然后成功制造出MEMS器件。

以掩模为导向的MEMS设计流程

图6:以掩模为导向的MEMS设计流程

从L-Edit的2D掩模版图开始创建器件。然后,3D Solid Modeler会利用这些版图和一系列的3D制造流程步骤,自动生成器件的3D实体模型。导出该3D模型并使用您喜欢的有限元工具执行3D分析,如发现任何问题,可以进行迭代。对2D掩模版图进行适当的修改,然后重复流程。通过这个以掩模为导向的设计流程,您可以在运行的MEMS器件中进行仿真集成,因为您可以直接创建最终用于制造目的的掩模,而不是从3D模型进行逆向工作。

执行MEMS实体建模

您可以根据晶圆代工厂的流程信息设置制造步骤(图7)。利用此信息,L-Edit可以为MEMS器件建立制造流程每一步的3D实体模型。

制造流程编辑器

图7:制造流程编辑器

您可以与生成的3D模型(图8)进行交互,例如旋转模型,获取横截面视图,另外您还可以诊断制造问题。您可以自动导出流程每个步骤的横截面,以便更好地了解制造流程和您的器件。然后,您可以将模型导出到FEA工具进行分析。

3D模型示例

图8:3D模型示例

MEMSIC成功案例

美新半导体有限公司(MEMSIC)开发了一种没有可动部件的MEMS和CMOS IC加速度计。其采用了独特的热技术,通过被加热的气体分子测量加速度(图9)。其芯片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、患者监测设备和供游戏使用的头戴式显示器。

MEMSIC加速度计基本结构

图9: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。

“自从1999年我们开始使用Tanner工具以来,其一直都表现得十足可靠。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。”MEMSIC研发部门总监这样评价Tanner。

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。

在加速度计设计方面,MEMSIC工程师使用Tanner流程直接根据版图创建3D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10)。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。

使用L-Edit设计的加速度计版图

图10:使用L-Edit设计的加速度计版图

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