盘点市面上MEMS-CMOS片上集成芯片有哪些？

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两种集成技术：SiP vs SoC

微系统技术中的系统级封装( system in a package，SiP) 技术是解决导弹功能模块分立，降低电子 器件体积和质量的重要途径。括多块功能芯片集成在一个封装体内，从而实现一个基本完整的功能的技术。

图   SiP技术和SoC技术示意图

片上系统( system on chip，SoC) 是微系统技术 发展的另一重要方向，该技术将不同功能的电路设 计和制造在一块芯片上，芯片本身即能完成原本需 要多块芯片完成的功能。在未来导弹上，通过芯片处理功能的整合，缩减芯片的数目同样能够减小电子部件的体积和质量。

SoC相较于SiP，传感器和接口电路更靠近，从而很大程度地降低寄生参数和外部干扰。单片集成的传感器还可以减小不同芯片之间互连的可靠性问题。与 IC 标准工艺兼容，进行传感器和接口电路的单片集成，可以实现集成传感器的批量低成本制造。

应用方向：阵列化芯片

阵列化芯片势必要攻克MEMS-CMOS单片集成技术，例如红外热电堆阵列芯片，MEMS阵列气体传感器、Pumt超声成像传感器、微镜阵列、热发泡喷墨打印芯片等，无论是传感器还是执行器阵列芯片，其阵列产生的多路信号难以通过引线键合完成电信号的输出。

图   MEMS-CMOS片上集成红外热电堆阵列芯片

以64x64像素红外热电堆芯片为例，共4096路信号单元，将CMOS接口集成在MEMS芯片上才是唯一的技术路径。对于热电堆阵列芯片，目前商业化产品普遍采用TSV和键合技术相结合的方式，即TPA（热电堆阵列）通过通孔互联工艺将信号引入到键合下层的ROIC（读出电路），以此补偿电路来抑制温度漂移，并集成了ADC电路，这种片上集成系统有利于降低芯片体积、功耗和成本。

图   MEMS-CMOS片上集成6轴IMU

与热电堆阵列芯片的TSV和键合技术相比，还有一种体积更小的终极片上技术技术为单片集成，即MEMS和COMS部分全部在一个硅衬底上实现。这类芯片已成功商业化的产品包括MEMS阵列气体传感器和热发泡打印芯片。以2 x 2阵列MEMS气体传感器为例，需要四个微热板的排列，每个加热器可以独立工作，也可以同时工作。ASIC电路部分与MEMS传感器部分单片集成在一颗芯片上，一般MEMS部分位于中心，ASIC部分位于周边。微热板上涂覆不同的材料以实现多气体交叉验证和提高精度。由于气体测量的原始数据通常都是离散型点，因此单片集成芯片可以更好的将人工智能算法与传感结合，实现智能化的传感器信号输出和自我学习等功能。

应用方向：芯片上的气象站

芯片上的气象站的概念早在2005年863项目中提出，采用先进的微机电系统（MEMS）技术，研发出温度、湿度、气压、风速/流量传感器。目前大多数厂商采用SiP技术将传感器和ASIC电路两部分独立单元通过连接线绑定封装而成，如博世的BME280和BME688多合一环境传感器。由于MEMS与CMOS接口上会产生的寄生参数，更多的厂商采用单片集成的方式，MEMS传感和ASIC电路都实现在同一个衬底上，例如盛思锐和睿感。盛思锐几乎全部的环境传感器均采用单片集成方式实现。与 COMS 工艺兼容的MEMS温湿度传感器具有体积小、价格低、产品一致性好的特点，有较好的应用前景。因此，芯片上的气象站未来的发展趋势是尽可能在单芯片上实现更多物理量的感测、信号处理和数据融合，全方位实现温度、湿度、气压、风速/流量传感器的一体化传感。

图   MEMS-CMOS片上集成6轴IMU

应用方向：惯性测量单元

据我们对各家六轴惯性测量单元进行拆解，了解到几乎全部的厂商采用SiP系统。唯一采用MEMS-CMOS集成技术的只有TDK应美盛，其研发的Nasiri制造工艺平台是一项具有成本效益的MEMS-CMOS集成方法，能够开发出兼具小尺寸、低成本与高性能的MEMS产品，可生产加速度计、陀螺仪等运动类集成芯片。以6轴IMU为例，MEMS-CMOS采用两次键合技术完成，ASIC部分作为衬底层，与MEMS结构层以共晶键合方式形成电气和物理连接，再次与盖帽层键合形成运动腔室。ASIC部分一般采用0.18μm带EEPROM的混合信号工艺，包含微小电容/电阻检测电路、信号放大及模数转换电路、EEPORM校验电路及数字接口电路。相较于SiP封装，MEMS-CMOS集成技术的IMU具有更高的集成度和更好的性能。

图   MEMS-CMOS片上集成6轴IMU