MEMS传感器设计和制造的未来

我认为，有三个行业趋势将对运动传感器的设计和制造产生重大影响，更普遍地说，对其他类型的大容量MEMS(如麦克风)产生重大影响:

1. MEMS组件的商品化
2. 越来越多地整合异构技术在芯片和包装尺度上
3. 主流铸造厂进入MEMS业务。

首先，让我们谈谈商品化。第一个商业MEMS运动传感器，用于安全气囊部署的加速度计，在1990年代初出现。在此之后，体积稳定地增长，主要由汽车应用驱动。在消费电子产品中广泛采用MEMS在2000年中期开始，首先在任天堂Wii游戏控制器中使用MEMS加速度计，然后通过引入Apple iPhone后尽快。MEMS运动传感部件的装运量起到了此后的飙升，这主要通过智能手机和平板电脑采用。新兴的物联网市场承诺推动卷甚至更高。虽然MEMS运动传感器出货量的数量继续以非常健康的步伐增长，但2013年的高峰以来，整体销售额实际上已经下降（来源：IHS - MEMS市场跟踪器消费者和移动，H2 2015）。数量上涨和价格迅速下跌的价格是商品化的定义。

第二个趋势是不断增加一体化的需求。总的来说，集成提供了更小的形式因素，更低的成本，更低的功耗，更多的功能和更高的性能。以MEMS运动传感器为例，集成趋势已经持续了一段时间:封装式加速度传感器从单轴、双轴到三轴。陀螺仪也遵循同样的趋势。今天的供应商提供高度集成的6轴和9轴惯性测量单元(imu)。要了解这一趋势的发展方向，我们只需看看苹果手表的ChipWorks拆解。报告显示，苹果将30多个芯片集成到一个单独的封装中。值得注意的是，6轴MEMS IMU是该包中不包括的少数组件之一。人们可以很容易地想象IMU的功能将更紧密地集成在未来的苹果手表中。随着可穿戴设备和物联网市场的持续增长(得益于新的MEMS组件)，对高密度芯片和封装规模集成的需求也将持续增长。 MEMS suppliers may be required by their system integrator customers to deliver dies or chip-scale packages instead of packaged components.

第三个趋势是CMOS代工厂的主流进入MEMS制造业务的入口。这部分是将半导体行业巩固的结果，因为留在CMOS技术领先地位的投资已经发展到数十亿美元。较小的球员已经获得或必须专注于生存。市场领导者和较小的球员都有一个不断增长的老制造设施，不适合制造先进的CMOS技术。然而，这些过时的，完全摊销的CMOSBAB和设备可能非常适合MEMS制造。这些铸造厂将MEMS制造业视为利用现有资产来解决新的更高增长市场的有吸引力的机会。此外，他们认为，他们可以通过为包括CMOS，MEMS和其他技术的多技术铸造服务提供一站式购物来满足日益增长的集成需求。

这些MEMS行业趋势的含义

这些趋势对MEMS传感器的设计和制造有什么影响?我先从制造业说起。作为商品化趋势的结果，MEMS现在已经形成了一个完整的生态系统。这个生态系统包括工艺技术、设备、材料、测试设备和设计工具。这种生态系统的存在大大降低了新进入者的门槛，特别是主流铸造厂，以服务于MEMS市场。此外，至少对于运动传感器而言，长期统治MEMS行业的臭名昭著的“一种产品、一种工艺、一种封装”法则正在让位给制造和集成方法的融合。最近的新产品使用了一些变化，在30到50微米厚的SOI硅片硅层上通过晶圆键合与CMOS集成。为了保持竞争力，MEMS传感器供应商将不得不利用这个生态系统和制造方法的融合。

MEMS设计实践的预期变化

最后，MEMS设计实践将如何改变以解决商品化，集成和标准化的铸造工艺增加的挑战和机会？MEMS设计今天对每个MEMS供应商具有高度特殊的。工具和流程取决于设计人员的偏好和经验，并在设备类型中各不相同。典型的MEMS设计流程决不与已建立的CMOS设计流相结合。主流铸造件现在进入MEMS业务识别出这个差距。特别是，该铸造件类似于MEMS设计流程，可以更接近地与现有的CMOS工具和流程集成。流量必须支持类似于CMOS PDK的MEMS过程设计套件（PDK）。伪造的MEMS PDKS支持的经过验证的MEMS设计流程的可用性预计将减少耗时的过程开发周期和设计旋转的需求。
Coventor花了超过15年的时间为MEMS设计开发了一种类似于基于示意性CMOS设计的MEMS设计方法。在我们的这种方法中的最新化身MEMS +^®平台为Cadence Virtuoso环境生成原理图符号、仿真模型和布局PCells，实现MEMS+CMOS设计流程。随着2015年底发布的MEMS+ 6.0，我们增加了为给定的MEMS工艺技术定制组件库的能力。定制组件施加特定于流程的设计约束。使用定制组件创建的设计，原则上是“通过构造进行修正”，减少了后续常规设计检查(如DRC)的负担。定制的MEMS+组件库将是MEMS PDK的重要组成部分。

最近，Coventor一直在与Cadence Design Systems和XFAB Semiconductor合作，定义一个结合的MEMS+CMOS设计流程，并为XFAB的一种经过验证的MEMS工艺开发PDK。为了促进MEMS+CMOS集成的创新，采用设计流程，并使用XFAB的标准工艺，三家公司宣布了一项新技术MEMS设计比赛．该竞赛表明，结合MEMS+CMOS设计流程和支持pdk的标准化MEMS工艺的愿景正在成为现实。MEMS设计人员将能够访问普通的MEMS制造平台，满足日益增长的集成需求。铸造厂将为老的晶圆厂注入新的活力，并通过合并CMOS和MEMS产品提供更多的价值。所有各方都将受益于减少设计旋转，更快的生产坡道，增加产品集成，更好的产品功能和更低的单位成本。