控制系统在汽车中的应用不断增加,这推动了微机械装置的发展。我们已经目睹MEMS从纯粹的机械装置转变成基于半导体的传感器。而且,它正在向专用集成传感器(ASIS)发展。
对更小、更可靠、更低成本器件的永恒追求已经促使传感器与半导体制造技术走向融合,从而产生一种新的分支技术。本文将探讨MEMS加速度传感元件与控制集成电路之间的分割趋势。
为了阐明MEMS制造技术的两个主要趋势,我们以用于汽车碰撞检测的加速计为例。它们显示出当今制造商所采用的一种分割及封装方法。系统分割法能够将MEMS与控制IC集成到单个裸片上或者将这两种技术分割到两个裸片上。
摩托罗拉开发了一种双片式加速计。加速计传感元件(又称g单元)是在一种合适的半导体工艺流程中经表面微机械加工而成的。摩托罗拉最初的g单元是一个z轴器件,这意味着加速度敏感平面与芯片平面相垂直。随后,该公司又开发了横向(x轴和x-y轴)g单元。在晶圆制造流程的后期,g单元晶圆衬底与一块帽形晶圆邦定在一起。晶圆邦定工艺使用玻璃粉(glass frit)邦定技术,这为加速度传感元件提供了一个密封环境,可以在封装及使用期间保护它们。这个案例使我们可以考察在分割法中的开发方向:
*单集成裸片Vs.双裸片；
*暴露的传感元件Vs.受邦定晶圆保护的传感元件；
*由一块芯片驱动的封装Vs.其它封装方法；
*最大的争议也许在于如何分割MEMS传感器与信号调节电路。
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单芯片方案可以提高信噪比并减少互连的数量。这种方法乍看上去似乎还是一种更经济的解决方案。但MEMS工艺与电路制造的分离可以提供更好的灵活性,其结果是,多芯片系统具有更快的上市时间。
尽管单裸片与双裸片ASIC都可以执行相同或非常类似的功能,但单片集成在可扩展性及集成水平方面受到限制。实际上,单片集成并不一定具有与双裸片相等的传感器智能。后者能够在多块芯片上进行系统分割,从而提供一种多芯片的系统级封装方法。
摩托罗拉的加速计封装是基于分离的MEMS传感元件与控制IC裸片。ASIC的主要模块是采用该公司SmartMOS7技术制造的。控制ASIC芯片执行许多功能,通常,其基本职责是信号调节(如放大、滤波、偏移补偿等)。在本例中,高级信号调节是通过传感器的智能实现的。利用这些方法,我们能够将信号分辨率增强到传感元件及A/D转换器(在本例中为10位)精度的极限值。此外,许多新的功能可以被添加到传统的信号调节电路中。
在传感器元件级集成智能可以为传感器和发射器提供一种高级诊断手段。诊断可以自动执行或由外部通过用户接口启动。自动诊断可以在工作期间定期启动。例如,定期自检程序即可提供这种功能。
这些功能现在可以采用高级ASIC技术(如SmartMOS7)来实现,但将来某一天可能会不行。因此,工艺还必须集成MEMS传感器。未来的技术发展将允许在单个硅片上集成更通用的器件,而这是混合信号的要求。
混合信号处理要求将模拟、数字及电源功能集成到单个硅芯片上。这种能力使设计者可以将微控制器内核、电源、线性IC、通信及非易失性存储器模块集成到单个芯片上,以满足苛刻应用的需求。
混合信号技术对于创建通用、精确且更便宜的传感器非常关键。这一领域的进步将使设计者在单个衬底上实现新的功能组合。
混合信号工艺可达到0.4微米的尺寸,并兼容现有的各种逻辑库。这种工艺能实现电压可扩展且击穿电压介于7.5V至 55 V之间的模拟CMOS器件。水平及垂直PNP器件可以对高增益NPN器件(beta值>100)进行补偿。这些工艺还包括非易失性存储器E2PROM单元及许多参数调整选项。
具有数字通信能力的传感器不仅消除了许多与模拟输出有关的困难,而且增强了传感器的功能。例如,一个集成A/D变换器与状态机查找表的器件可以不再需要原先用来执行查找功能的外部微控制器。除此之外,数字通信功能允许设计者通过相应编码,发射其它类型的信息。可传输的数据包括诊断结果、传感器类型及其ID、制造或应用细节等。
汽车加速计已经有十多年的历史。基于MEMS的加速计也已经获得用户的接受,因为它们能为安全气囊防撞保护提供一种单点感应方式。今天,许多汽车制造商选择系统级封装方案,即将MEMS传感器芯片与基于CMOS的ASIC构建在单个封装中。
对这类传感器的要求正变得更加严格,不仅表现在可靠性与质量方面,而且它们必须执行越来越多的功能。系统级封装可以减少外部元件的数量,但这只有通过非常先进的专业工艺流程才能实现。
传感器与控制电路的分离使MEMS技术得以从复杂的ASIC技术中解脱。这不仅能防止它们互相阻碍对方的发展,而且可以完全发挥它们的潜力。
作者:Dragan Mladenovic、Dave J. Monk
供职于原摩托罗拉半导体部,现独立为Freescale半导体公司。
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