創建基于傳感器的物聯網（IoT）邊緣器件會涉及多個設計領域，因此極具挑戰性（圖1）。但是，在同一硅片上創建一個既有采用傳統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設計分開。Tanner AMS IC設計流程支持單芯片或多芯片技術，因而有助于成功實現IoT邊緣器件的設計和驗證。不過，本文將著重介紹在單個芯片上融合CMOS IC與MEMS設計的獨特挑戰。

圖1：一個典型IoT邊緣器件，涉及數字、模擬、射頻和MEMS領域

了解設計流程

Tanner設計流程（圖2）為AMS IC設計提供了一個完整的環境。

圖2：Tanner AMS設計流程

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設計融入這一流程中。

圖3：自上而下的IC/MEMS流程

IoT邊緣設計要求結合模擬、數字、射頻和MEMS這四個設計領域，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合，在版圖布局和驗證過程中，它們仍需要協同工作。設計團隊需要繪制混合模擬與數字、射頻和MEMS設計，進行芯片版圖布局，然后執行元器件和頂層仿真。在單個芯片上設計電子器件和MEMS涉及以下幾點需要關注（參見圖3）：

原理圖可能包含IC和MEMS器件。IC器件使用SPICE模型進行建模，而MEMS器件則可直接在物理域（如機械、靜電、流體和磁）中創建行為模型（圖4）。S-Edit內的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中的解析方程來創建MEMS模型。結合MEMS仿真庫，您還可以在初始階段就對整個設計進行是否符合預期的驗證。

利用MEMS PCell庫，您可以在L-Edit進行版圖設計。此外，Library Palette（圖5）提供了許多MEMS器件的基本版圖生成器，您可以將其用作設計的初始模型。

圖5：用于創建MEMS器件版圖的Library Palette

然后，您可以生成一個三維（3D）幾何模型，以便進行查看、虛擬原型開發，以及導出到有限元分析（FEA）工具。

Compact Model Builder采用的是降階建模技術，因此利用該工具，您可以根據FEA結果創建行為模型，并將其用于最終系統級仿真中。

傳統上，MEMS的設計部分從創建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，即以掩模為導向，然后成功制造出MEMS器件。

圖6：以掩模為導向的MEMS設計流程

從L-Edit的2D掩模版圖開始創建器件。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。導出該3D模型并使用您喜歡的有限元工具執行3D分析，如發現任何問題，可以進行迭代。對2D掩模版圖進行適當的修改，然后重復流程。通過這個以掩模為導向的設計流程，您可以在運行的MEMS器件中進行仿真集成，因為您可以直接創建最終用于制造目的的掩模，而不是從3D模型進行逆向工作。

執行MEMS實體建模

您可以根據晶圓代工廠的流程信息設置制造步驟（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）進行交互，例如旋轉模型，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，您可以將模型導出到FEA工具進行分析。

圖8：3D模型示例

MEMSIC成功案例

美新半導體有限公司（MEMSIC）開發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，通過被加熱的氣體分子測量加速度（圖9）。其芯片應用于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、患者監測設備和供游戲使用的頭戴式顯示器。

圖9：MEMSIC加速度計基本結構

該傳感器大小為1平方毫米，其中心是一個在高于環境溫度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，外面是用于放大、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，其一直都表現得十足可靠。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。并且，我們從未因驗證發生過流片錯誤。”MEMSIC研發部門總監這樣評價Tanner。

為保持較低制造成本的優勢，MEMSIC幾乎完全采用標準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。

在加速度計設計方面，MEMSIC工程師使用Tanner流程直接根據版圖創建3D模型，然后進行有限元分析。他們使用L-Edit修改傳感器和版圖的細節（圖10）。版圖生成之后，他們使用L-Edit LVS和L-Edit Standard DRC進行驗證。最后，從L-Edit導出到GDS版圖文件，并送到TSMC進行流片。

圖10：使用L-Edit設計的加速度計版圖