簡介
加速度計在很多市場中都有著重要的作用。智能手機中會用到加速度計，汽車中也會用到加速度計。這一器件在醫療中的應用也是與日俱增。對速度的變化率的測量似乎可以有無限的應用。根據Yole《MEMS產業現狀-2018版》報告顯示，消費類市場仍是加速度計等慣性MEMS器件最大的細分市場，不過，該領域價格壓力巨大，且競爭非常激烈；近年火熱的自動駕駛汽車領域則青睞高性能慣性器件，但MEMS技術仍能分得一杯羹；2017年，加速度計等慣性MEMS器件的市場規模約為35億美元，預計到2023年將增長至40億美元，2017~2023年期間的複合年增長率高於3%。
設計創建加速度計的技術有很多種。其中一種常用的技術是製造具有彈簧懸掛質量塊的 MEMS器件（圖1）。發生加速時，質量塊將會產生移動進而縮短固定齒和可動齒之間的間隙，電容也相應地發生變化。由於固定齒上加有電壓，當質量塊移動時，可動齒會由於電容的變化產生電壓。測量該電壓即可確定加速度。然而，可動部件會受到以下情況的影響：粘滯（兩個緊密相鄰的表面彼此粘附，如梳齒）、振動產生的誤差以及衝擊力（g-force）導致的可動部件的斷裂。
圖1：質量塊MEMS加速度計示意圖
現在讓我們聚焦到位於馬薩諸塞州安多弗的MEMSIC® Inc.（美新半導體有限公司，以下簡稱MEMSIC）。MEMSIC開發了一種沒有可動部件的MEMS和CMOS IC技術。採用獨特的熱技術，通過被加熱的氣體分子來測量加速度。因此，MEMSIC加速度計具有諸多優勢：
• 無粘滯作用
• 可承受50kg以上的衝擊力
• 無可測諧振（具有抗振性）
• 零g失調穩定
• 無可測的遲滯現象
要將混合信號處理電路與MEMS器件設計到同一芯片上非常困難，不過MEMSIC已成功將這些技術集成到同一硅片上，並且已向各行業批量供應了多款加速度計。該公司還克服了另外兩大障礙，做到了堅持使用標準CMOS IC工藝從而維持低成本生產並且使用Tanner的單套工具將設計開發標準化。
檢測加速和運動
大多數加速度計依靠滑塊確定運動，但MEMSIC卻使用硅中熱機械傳感器（圖2），因此從眾多競爭產品中脫穎而出。
圖2：MEMSIC加速度計基本結構
該傳感器大小為1平方毫米，其中心是一個在高於環境溫度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元件組成，串聯連接以抬高電壓。整個傳感器完全密封在氣腔中，外面是用於放大、控制模數轉換的電路，在三軸型號中還包括數字補償/校準電路。
在不運動時，熱電堆之間的熱分佈是平衡的。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生的信號變化解讀為運動和加速。
由於沒有可動部件，MEMSIC的加速度計在測量傾側、傾斜、衝擊和振動方面，比對應的機械部件要更持久、更可靠，且耐衝擊性可達到25倍以上（大於50kg）。其加速度計芯片廣泛應用於需要控制或測量運動的產品中，如汽車報警器、移動電子設備、全球定位系統、電梯控制、病患監測設備和供遊戲使用的頭戴式顯示器。
模擬電路和MEMS設計共用一套工具
“早在1990年代我們設計中心就使用了Tanner工具，自此之後，我們也一直使用著它們，”MEMSIC技術合作與開發總監蔡永耀解釋說，“我們的加速度計結合了MEMS IP和模擬電路IP，而Tanner工具對於我們的電路和傳感器而言都相當靈活。我們將傳感器建模為一個電阻，另外，由於熱電堆具有極性，我們也可以將它建模為極化電阻。”
“自從1999年我們開始使用Tanner工具以來，其表現一直都十分可靠。使用Tanner工具進行作業時，我們可以前一分鐘進行MEMS設計，下一分鐘就換到模擬設計。並且，我們從未因驗證發生過流片錯誤。”蔡永耀又說道。
在加速度計設計方面，MEMSIC工程師使用建立在Tanner L-Edit™之上的SoftMEMS®產品 MEMS Pro來設計和分析MEMS。實際上，早期MEMSIC產品甚為簡單，不需要完全的機械仿真，因此MEMS工程師可以直接在L-Edit中工作。
MEMSIC工程師使用MEMS Pro直接根據版圖創建三維模型，然後進行有限元分析。他們使用L-Edit修改傳感器和版圖的細節（圖3）。版圖生成之後，他們使用L-Edit LVS和L-Edit Standard DRC進行驗證。最後，從L-Edit導出到GDS版圖文件，並送到TSMC®進行流片。
圖3：使用L-Edit設計的加速度計版圖
MEMS設計和CMOS製造
為保持較低製造成本的優勢，MEMSIC幾乎完全採用標準CMOS工藝兼容的薄膜材料來設計其傳感器。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。
“我們與競爭對手相比，擁有一個巨大的優勢，”蔡永耀繼續說道，“我們的工藝幾乎獨立於晶圓代工廠，因為我們的設計95-99%都是CMOS工藝。我們可以輕鬆變更工藝和晶圓代工廠，選用定價更為合理的廠家。而我們的競爭對手則採用專有的MEMS工藝，自行製造或通過專門的晶圓代工廠製造，這肯定比與傳統CMOS晶圓代工廠合作成本更高。”
在更改幾何形狀方面，MEMSIC同樣具有優勢。其大多數競爭對手仍在採用老一代的工藝技術，換成較新的MEMS技術將會引進一個截然不同的工藝且轉換費用十分昂貴。MEMSIC採用的是最新技術，且其標準CMOS IC工藝使其可以在更改幾何形狀後迅速提高產量和產能。
9.2萬顆加速度計在北京奧運
MEMSIC技術最眾所周知的應用是2008年中國北京奧運會在“鳥巢”體育場分發給開幕式所有參與者的電子“搖擺火炬”（圖4）。
圖4：搖擺火炬
火炬類似於一根20-30cm的魔杖，上有LED線性陣列。揮舞時，隨著LED在半空中的明滅，火炬在人們眼前顯示標誌性的奧運圖像——大型體育符號、奧運標誌、中文問候語和五個奧運吉祥物。火炬的核心技術包括MEMSIC算法和加速度計（採用Tanner工具設計），用於檢測用戶手的前後運動並根據圖像需求點亮各LED。
“為製作這一奧運宣傳工具，我們在這個項目上花了半年的時間，”蔡永耀說，“用戶在空中揮動火炬，LED根據運動顯示圖案。這個示例很好地說明了加速度計在位置、方向和速度方面所能提供的信息量。”
結語
為保持低成本和高性能，MEMSIC需要設計基於MEMS的加速度計，並使用標準CMOS IC工藝進行生產。1999年以來，該公司一直依靠靈活的Tanner工具來設計雙軸和三軸MEMS加速度計以及相關電路。
麥姆斯諮詢和Mentor建立戰略合作伙伴關係，麥姆斯諮詢代理銷售Tanner系列EDA軟件，並開展專題研討會及培訓課程。
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