在CMOS中构建MEMS: 一个不可能实现的梦想？

总部位于伦敦和巴塞罗那的欧洲创业公司Nanusens有一个雄心勃勃的技术目标: 打造可靠、便宜，可与其接口ASIC 构建在同一管芯上的CMOS微电子机械系统(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中构建MEMS应该是不可能的。CMOS并不是为机械结构设计的，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、弹簧上的梳齿状质量块(proof mass)。

Nanusens的首席执行官Josep Montanyà说：“(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，所以结构不是平整的。”

内置于CMOS工艺后端的MEMS器件横截面图 (图自：Nanusens)

“用这些卷曲的金属制造有用的器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。这对惯性传感器来说是另一个挑战，因为你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(µm)厚，但在0.18微米工艺中，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。在大模板上，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，” Montanyà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。它非常小的缝隙非常，会是一个挑战，因为曲率很大，所以设计可能崩塌。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，你就能感测到更小的绝对位移。”

然后就是寄生电容。典型的MEMS设计有两个管芯，在ASIC管芯和MEMS管芯之间有引线键合。这样会产生高达10皮法(pF)的寄生电容。将ASIC电路和MEMS电路放在同一个管芯上，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产品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Montanyà认为，Nanusens的器件相对来说仍更具有优势。

他表示：“(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管芯外面去，即使它键合在顶部。在同一个芯片内工作是大幅降低寄生电容的唯一方法。”

知识产权

虽然Nanusens申请了它的IP专利，但这种结构的确切设计仍然是个秘密。Montanyà暗示这种结构与现有的MEMS器件非常不同。“在传统的MEMS工艺中，通常有三层。但是在CMOS工艺中，有六个金属层……因而我们有更多的设计选项，去做一些奇怪的事情，” Montanyà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器件还可以减少粘滞效应——当大多数MEMS加速度计受到极端外力时，这种效应会阻止其工作。当质量块接触到被限制空间的边缘时，粘滞效应就会发生。分子力把它粘在墙上，这种作用是不可逆的。粘滞取决于质量块的表面积和撞击能量。

Montanyà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加速度计样品已经显示出良好的对抗粘滞效果，它们经受了超过10000个开关循环的考验，每一次都相当于1000 G。该公司称，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计划将其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、麦克风和其他传感器，包括运动检测器和惯性传感器。该运动检测器具有两个功能：可以检测耳塞何时停用，并关闭耳塞以节省电力；还可以作为用户界面实现点击和双击动作。Nanusens预计在今年年底前推出运动检测芯片的样品。

耳塞中的惯性传感器作用在于，当我们说话时的耳骨振动，它都能检测到。骨传导传感器检测这种振动，融合来自麦克风采集的信息，进而帮助抑制环境噪声。Nanusens公司正在研发这种惯性传感器。

“我们可以把两个传感器都做得更小，” Montanyà说。“现如今，每个芯片是4立方毫米。我们可以把这两个传感器组合成一个1立方毫米多一点的芯片。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。” 在小小的耳塞里，他补充道，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，更多的内存，或者只是让耳塞变得更小更轻。

图中红色高亮显示部分为Nanusens纳米机电系统（NEMS）传感器芯片布局。两个传感器占据了大约10%的芯片面积，每个结构的尺寸为100×150µm。(图自：Nanusens)

随着智能手机设计中耳机接口逐步淘汰，无线耳机市场将加速增长。未来的智能手机将配备无线耳机。“尽管这是一个巨大的市场，并且中国涌现出许多制造这些耳机的公司，但它们都使用参考设计(reference design)。”Montanyà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(我们产品的)样品融入他们的设计中。一旦我们得到一款这样的参考设计，销量将是巨大的。”

将公司的ASIC和MEMS IP整合到系统芯片(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中嵌入一个运动检测器可以增加芯片级别的唤醒和休眠功能。Montanyà表示:“ 需要花一些时间才能看到这种整合是如何完成的，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。”

Josep montanyà，Nanusens首席执行官(图自：Nanusens)

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。铜的密度比铝高，而且它的导电性能也更好。

未来的产品还将包括温度、湿度和压力传感器，以及指南针和麦克风的设计。 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。Montanyà表示：“我们预计(RF传感器)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。在世界移动通信大会(MWC)期间，我们展示的一个产品，引起了大家的兴趣。”

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？Montanyà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。取消独立的MEMS芯片能够节约成本，不过在ASIC芯片进行整合会增加15%的后端处理成本。 但因为不需要多管芯封装(multi-die packaging)，所以总体上能够省钱。总的来说，Nanusens生产的MEMS传感器本来就更便宜，对于传感器组合来说，其成本优势变得更加明显。

“单个传感器的成本优势为30%。” Montanyà说。“如果我们整合传感器，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%至20%，可能需要一个新的模拟前端，但数字部分可以共享。与竞争对手添加新传感器时需要更多的管芯、更多的引线键合等相比，整合传感器的成本优势非常大。”

公司发展路径

通往目标的道路并不总是平坦的。Montanyà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，该公司行将推出其首款CMOS MEMS传感器产品“指南针”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Montanyà称，这名投资者还拒绝了美国知名公司的投资要约。2014年，由于找不到买家，Baolab最终关门大吉。同年晚些时候，Montanyà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，”Montanyà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。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器件。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工艺已经不能与行业兼容。最新的设计与标准CMOS工艺兼容，生产则已转移到中芯国际，而台积电作为第二选择。

内置在0.18微米CMOS中的2D运动传感器(图自：Nanusens)

这些主流晶圆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。

鉴于Montanyà的经验，他选择限制个别风险投资公司的投资，以防止任何外部方持有公司大量股份，就不足为奇了。众筹提供了一种便捷筹资方式，即从大量的小规模投资者(上一轮超过750个)那里筹集到实现批量生产所需的资金。该公司迄今已通过这种方式筹集了约200万欧元，去年甚至将总部迁至伦敦，以鼓励英国企业投资计划(EIS)进行投资。据报道，上一轮融资筹集的资金超过目标金额的三倍。

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年的颠覆性创新技术。Nanusens用于耳机运动检测的加速度计芯片样品将在今年第四季度提供。

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年9月刊

责编：Yvonne Geng