創(chuàng)建基于傳感器的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）邊緣器件會涉及多個設(shè)計領(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。實際上，許多IoT邊緣器件會在單個封裝中集成多個芯片，將電子器件與MEMS設(shè)計分開。Tanner AMS IC設(shè)計流程支持單芯片或多芯片技術(shù)，因而有助于成功實現(xiàn)IoT邊緣器件的設(shè)計和驗證。不過，本文將著重介紹在單個芯片上融合CMOS IC與MEMS設(shè)計的獨特挑戰(zhàn)。

圖1：一個典型IoT邊緣器件，涉及數(shù)字、模擬、射頻和MEMS領(lǐng)域

了解設(shè)計流程

Tanner設(shè)計流程（圖2）為AMS IC設(shè)計提供了一個完整的環(huán)境。

圖2：Tanner AMS設(shè)計流程

不過，多年以來，Tanner支持自上而下的MEMS IC流程（圖3），能讓客戶將MEMS設(shè)計融入這一流程中。

圖3：自上而下的IC/MEMS流程

IoT邊緣設(shè)計要求結(jié)合模擬、數(shù)字、射頻和MEMS這四個設(shè)計領(lǐng)域，特別是在同一芯片的情況下。即使組件針對的是不同芯片之后的結(jié)合，在版圖布局和驗證過程中，它們?nèi)孕枰獏f(xié)同工作。設(shè)計團(tuán)隊需要繪制混合模擬與數(shù)字、射頻和MEMS設(shè)計，進(jìn)行芯片版圖布局，然后執(zhí)行元器件和頂層仿真。在單個芯片上設(shè)計電子器件和MEMS涉及以下幾點需要關(guān)注（參見圖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符號庫支持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中的解析方程來創(chuàng)建MEMS模型。結(jié)合MEMS仿真庫，您還可以在初始階段就對整個設(shè)計進(jìn)行是否符合預(yù)期的驗證。

利用MEMS PCell庫，您可以在L-Edit進(jìn)行版圖設(shè)計。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，您可以生成一個三維（3D）幾何模型，以便進(jìn)行查看、虛擬原型開發(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)級仿真中。

傳統(tǒng)上，MEMS的設(shè)計部分從創(chuàng)建MEMS器件的3D模型開始，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)計流程

從L-Edit的2D掩模版圖開始創(chuàng)建器件。然后，3D Solid Modeler會利用這些版圖和一系列的3D制造流程步驟，自動生成器件的3D實體模型。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)任何問題，可以進(jìn)行迭代。對2D掩模版圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模缓笾貜?fù)流程。通過這個以掩模為導(dǎo)向的設(shè)計流程，您可以在運行的MEMS器件中進(jìn)行仿真集成，因為您可以直接創(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題。您可以自動導(dǎo)出流程每個步驟的橫截面，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）開發(fā)了一種沒有可動部件的MEMS和CMOS IC加速度計。其采用了獨特的熱技術(shù)，通過被加熱的氣體分子測量加速度（圖9）。其芯片應(yīng)用于需要控制或測量運動的產(chǎn)品中，如汽車報警器、移動電子設(shè)備、全球定位系統(tǒng)、電梯控制、患者監(jiān)測設(shè)備和供游戲使用的頭戴式顯示器。

圖9：MEMSIC加速度計基本結(jié)構(gòu)

該傳感器大小為1平方毫米，其中心是一個在高于環(huán)境溫度100度的情況下工作的加熱器。加熱器周圍對稱放置著熱電堆，可感測不同位置的溫度。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，在三軸型號中還包括數(shù)字補償/校準(zhǔn)電路。

在不運動時，熱電堆之間的熱分布是平衡的。但只要運動或加速，就會改變加熱器周圍的對流模式，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)生的信號變化解讀為運動和加速。

“自從1999年我們開始使用Tanner工具以來，其一直都表現(xiàn)得十足可靠。使用Tanner工具進(jìn)行作業(yè)時，我們可以前一分鐘進(jìn)行MEMS設(shè)計，下一分鐘就換到模擬設(shè)計。并且，我們從未因驗證發(fā)生過流片錯誤。”MEMSIC研發(fā)部門總監(jiān)這樣評價Tanner。

為保持較低制造成本的優(yōu)勢，MEMSIC幾乎完全采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的薄膜材料來設(shè)計其傳感器。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。

在加速度計設(shè)計方面，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)計的加速度計版圖