1、M E M S的概念？列举三种以上M E M S产品及应用？
微机电系统(MEMS：Micro Electro-Mechanical System)指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结台的综合集成系统，采用微型结构(包括集成微电子、微传感器和微执行器；这里“微”是相对于宏观而言)，使之能在极小的空间内达到智能化的功效。
微机电系统主要特点在于：(1)能在极小的空间里实现多种功能；(2)可靠性好、重量小且能耗低；(3)可以实现低成本大批量生产。
主要应用领域、产品：压力传感器、惯性传感器、流体控制、数据存储、显示芯片、生物芯片、微型冷却器、硅材油墨喷嘴、通信等。
2、何谓尺度效应？在MEMS设计中，如何利用尺度效应？
当构件缩小到—定尺寸范围时将会出现尺寸效应，即尺寸的减小将引起响应频率、加速度特性以及单位体积功率等—系列性能的变化。构件特征尺寸L与动力学特性关系如表所示。
不同性质的作用力与尺寸的依赖关系不同，从而在微观研究中所占比重有所不同。例如，电磁力与尺寸是L2，L3，L4的关系，幂次较高，从而相对影响铰小；
而静电力与尺寸是L0，L-2的关系，幂次较低，影响程度较大。
3、湿法刻蚀和干法刻蚀的概念及其在MEMS中的应用？
刻蚀就其形式来说可分为有掩膜刻蚀和无掩膜刻蚀，无掩膜刻蚀较少使用。有掩膜刻蚀又可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀一般用化学方法，这种方法刻蚀效率高，成本低，但是其刻蚀精度不高，公害产重(用大量的化学试剂)。干法刻蚀种类很多，有溅射刻蚀、离于铣、反应离子刻蚀和等离子刻蚀等。干法刻蚀中包括了化学反应和物理效应，因此其刻蚀精度较高，且适用于各种材料，包括半导体、导体和绝缘材料。
刻蚀分为湿法到蚀和干法刻蚀。它是独立于光刻的重要的一类微细加工技术，但刻蚀技术经常需要曝光技术形成特定的抗蚀剂膜，而光刻之后一般也要靠刻蚀得到基体上的微细图形或结构，所以刻蚀技术经常与光刻技术配对出现。经常采用的化学异向刻蚀方法又称为湿法刻蚀，它具有独持的横向欠刻蚀特性，可以使材料刻蚀速度依赖于晶体取向的特点得以充分发挥。干法刻蚀是指利用一些高能束进行刻蚀。以往的硅微细加工多采用湿法刻蚀。
4、键合的概念，有几种形式？有何用途？
一个微型机电系统集微传感器、驱动器及处理器于一体，是一个复杂的智能微系统。其制造工艺，有硅表面微加工工艺、硅的体微加工工艺、硅微电子工艺以及非硅材料的微加工工艺。因此，如果把一个微机电系统建筑于同一硅基片上，那它首先不能克服微系统需用硅及作硅材料多样性上的矛盾；其次它无法解决微传感器、微处理器以及微驱动器集成于同一基片结构复杂性的矛盾；最后，在同一基片上无法解决硅表面及体微加工、非硅材料微加工工艺相容性上的矛盾。如果将整个微机电系统按结构、材料及微加工工艺的不同，分别在不同基片上执行微加工工艺，然后将两片或多片基片在超精密装配设备上对准，并通过键合手段，
把它们连接成一完整的微系统，这是获得低成本、高合格率及质量可靠的微系统的唯一途径。因此，键合技术成为微机电系统制作过程中的重要微加工工艺之一，它是微系统组封装技术的重要组成部分。
键合技术主要可分为硅熔融键合（SFB）和静电键合两种。
按界面的材料性质，键合工艺总体上可分为两大范畴，即硅／硅基片的直接键合和硅／硅基片的间接键合，后者又可扩展到硅／非硅材料或非硅材料之间的键合。对于硅／硅间接键合，按键合界面沉积的材料不同，其键合机制也不同，如沉积的是玻璃膜，按不同的玻璃性质，可以进行阳极键合或低温熔融键合；如果沉积的是金膜(或锡膜)，则进行共晶键合；用环氧或聚酰亚胺进行直接粘合。此外，还可借助于其他手段，如超声、热压及激光等技术进行键合。
5、介绍薄膜技术及用途？
薄膜是指存在于衬底上的一层厚度一般为零点几个纳米到数十微米的薄层材料。
薄膜材料种类很多，根据不同使用目的可以是金属，半导体硅、锗，绝缘体玻璃，陶瓷等。从导电性考虑，可以是余属、半导体、绝缘体或超导体；从结构考虑，可以是单晶、多晶、非品或超晶格材料；从化学组成来考虑．可以是单质、化合物或无机材料、有机材料等。
制备薄膜的方法很多，归纳起来有如下几种：
(1)气相方法制膜，包括化学气相淀积(CVD，Chemical Vapor Deposition)，加
热、光或等离子体CVD，和物理气相淀积(PVD)，如真空蒸发、溅射镀膜、离子镀膜、分子束外延、离于注入成膜等；
(2)液相方法制膜，包括化学镀、电镀、浸喷涂等；
(3)其它方法制膜，包括喷涂、涂敷、压延、印刷、挤出等等。
微机械中的薄膜制备技术主要是物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，包括热化学气相沉积，离子辅助沉积、等离子喷涂、离子镀以及激光物理气相沉积和激光化学气相沉积。采用金刚石、陶瓷、超导材料以及各种半导体材料生成的薄膜具有独特的物理、化学和光、机、电等性能。薄膜的厚度可以小至微米或纳米级，若将不同的基片材料与相应的膜系结合起来可构成微传感等功能复杂的微机械器件。
目前，多种薄膜材料已经被用于微机械传感器，包括高质量的绝缘体(二氧化硅、氯化硅等)，导体(如铝)，半导体(如硅)等。通常，CVD膜具有低的耗散应力好的再生力，因而应用较为普遍。其它一些金属、压电材料和热电材料等也可用于微传感器。
6、LIGA和UV-LIGA的概念，二者有何不同？
LIGA是德文的制版术Lithographie，电铸成形Galvanoformung和注塑
Abformung的缩写。
LIGA技术所胜任的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料如镍、铜、金、镍钴合金以及塑料、玻璃、陶瓷等材料制成的微机
械。因此，较硅材料的加工技术有了一个很大的飞跃。LIGA技术可以制造具有很大纵横比的平面图形复杂的三维结构。纵向尺寸可达数百微米，最小横向尺寸为
1um。尺寸精度达亚微米级，而且有很高的垂直度，平行度和重复精度。但其设备投资很大。
LIGA技术包括以下3个工艺过程：1. 深层同步辐射X射线光刻；2. 电铸成形；
3. 注塑。
UV-LIGA利用常规的紫外光光刻。UV-LIGA技术采用紫外厚胶光刻、微电铸和微复制工艺进行金属和塑料的微加工
7、如何实现微细电火花加工，对加工材料有何限制？
电火花加工又称放电加工，是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺，电火花加工过程中，工具和工件并不接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲性的火花放电，产生局部、瞬时高温把金属材料逐次微量蚀除下。
电火花加工指在绝缘的工作液中通过工具电极和工件间脉冲火花放电产生的瞬时局部高温来熔化和气化去除金属的。加工过程中工具与工件间没有宏观的切削力，只要精密地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除，可加工微细轴、孔、窄缝、平面以及曲面等。
条件：必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置；火花放电必须是瞬时的脉冲性放电；火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行。
材料：适合于难切削材料的加工。
8、如何实现微细电化学加工，对加工材料有何限制？
导电的工作液中水离解为氢离子和氢氧根离子，工件作为阳极，其表面的金属原子成为金属正离子溶入电解液而被逐层地电解下来，随后即与电解液中的氢氧根离子发生反应形成金属氢氧化物沉淀，而工件阴极并不损耗，加工过程中工具与工件间也不存在宏观的切削力，只要精细地控制电流密度和电解部位，就可实现纳米级精度的电解加工，而且表面不会加工应力。常用于镜面抛光、精密减薄以及一些需要无应力加工的场合。
9、如何实现微细激光加工，对加工材料有何限制？
由激光发生器将高能量密度的激光进一步聚焦后照．射到工件表面，光能被吸收瞬时转化为热能。根据能量密度的高低，可实现打孔、精密切割、加工精微防伪标志等。
10、何谓封装，MEMS中的封装与传感器的封装有何不同？
微系统封装技术是指将若干个功能芯片，辅以必要的配件和装配平台，按照系统最右的原则集成、组合、构建成应用产品的相关工程技术。微系统封装技术包括微电子封装技术、光电子封装技术、射频封装技术、MEMS封装技术和多功能系统集成封装等多个方面的封装技术。
微电子封装的功能是对芯片和引线等内部结构提供支持和保护，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏。芯片与外界是通过管脚实现电信号交互的。其封装技术与制作工业相对独立，具有统一的封装形式。而对于MEMS封装来说，除了要具备以上功能以外，封装还需要给器件提供必要的工作环境，大部分MEMS器件都包含有可活动的元件，在封装时必须留有活动空间。
此外，MEMS器件由于其空间拓展到三维，不同器件制作工业也多种多样，封装技术还必须与相应的制作工业兼容。基本MEMS封装过程需要满足一下条件：1）电子的、光学的和机械的有机连接；
2）机械的支承；
3）热管理；
4）寿命周期和产品的可靠性。
微传感器集成与封装：
1）如何充分保护传感元件，同时又保持和外界联系；
2）怎样减少作用在传感元件上的机械压力所造成的偏差和漂移；
3）怎样校准灵敏度和偏移量。
11、何谓光刻，光源波长对曝光的影响？
光刻是一种图形转移技术。光刻分两部分，首先是用辐照方法将掩膜版上的图形转移到光敏材料上(光刻胶)，然后用光刻胶作为掩膜通过刻蚀工艺将光刻胶上的图形转换到其他薄膜材料或者基片上形成结构件。刻蚀可用湿法刻蚀和干法刻蚀。
光刻(Photolithography)也称照相平版印刷(术)，它源于微电子的集成电路制造，是在微机械制造领域应用较早并仍被广泛采用且不断发展的一类微细加工方
法。光刻是加工制作半导体结构或器件和集成电路微图形结构的关键工艺技术，其原理与印刷技术中的照相制版相似：在硅等基体材料上涂覆光致抗蚀剂(或称为光刻胶)，然后利用极限分辨率极高的能量束来通过掩模对光致蚀层进行曝光(或称光刻)。经显影后，在抗蚀剂层上获得了与掩模图形相同的极微细的几何图形，再利用刻蚀等方法，在工件材料上制造出微型结构。
曝光技术可以从曝光能量束、掩模处于不同空间位置等来分类考察。
一、不同能量束的曝光技术：
从能量束角度看，目前微机械光刻采用的主要技术有电子束曝光技术、离了
束曝光技术、x射线曝光技术、远紫外曝光技术和紫外准分子激光曝光技术
等。其中，离子束曝光技术具有最高的分辨率，电子束曝光代表了最成熟的
亚微米级曝光技术、紫外准分子激光曝光技术则具合最佳的经济性，是近年
来发展极快且实用性较强的曝光技术，己在大批量生产中处于主导地位。
光的波长缩短，因此，可以获得更高分辨率的光刻线条。
二、掩模处于不同空间位置的曝光方法：1. 接触式曝光和非接触式曝光；2.
投影式曝光
12、何谓半波长效应？
13、何谓刻蚀自中止技术？
体硅腐蚀的自停止技术是硅微机械加工技术中的关键技术之一。硅腐蚀的自停止技术主要利用了不同晶格取向的硅和掺杂浓度的不同使硅在不同的腐蚀液中表现出不同的腐蚀性能。
这个方法是在等离子刻蚀系统中，循序重复刻蚀和聚合物沉积步骤。聚合物沉积步骤会在硅导孔侧壁上形成防护膜，防止侧向刻蚀。
14、PN结是如何制造的？
一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称。
PN结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。
如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的硼、铟、镓或铝等三价元素，就变成以空穴导电为主的半导体，即P型半导体。在P型半导体中，空穴(带正电)叫多数载流子;电子(带负电)叫少数载流子。
如果在硅或锗等半导体材料中加入微量的磷、锑、砷等五价元素，就变成以电子导电为主的半导体，即N型半导体。在N型半导体中，电子(带负电)叫多数载流子;空穴(带正电)叫少数载流子。
15、单晶硅与多晶硅的区别和用途？
硅有晶态和无定形两种同素异形体。晶态硅又分为单晶硅和多晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。
纯净的单晶硅外观呈浅灰色，略具金属性质。经抛光后表面光亮如镜，属于硬脆材料，但硅晶体也具有一定弹性，热传导率也较大。
微机电系统复习资料 第一章绪论 一、MEMS：特征尺寸在1um~1mm范围内的机械叫做微型机械。 三个特征：微型化（主要体现在体积、重量、耗能、惯性），集成化（体现在将不同功能、敏感、执行元素集成在一起），可批量生产 （特征尺寸、孔腔、沟道、悬臂梁）。 二、代表性器件：数字胃镜（DMD），喷墨打印机的喷头（销量最高），微 静电电机，机械陀螺仪（用于导航）。 三、与微电子产业相比的特征：1、三维可动装置2、多功能（生物、化学、 电能……） 、涉及的材料多4、封装和自组装工艺5、生产工艺和制造技术（制造技 术主要有体微加工技术、表面微加工技术和LIGA，其中LIGA上课没讲） 第二章 一、微型化的标度：表面积/体积比，主要考虑其比值缩小带来的影响，主 要体现在表面力、摩擦力占的主导作用。 二、应力（单位是Pa,压强）、应变 弹性模量=应力/应变 梁发生最大弯曲处：扰度、粘附 数测量：1，几何特征（大小）：光学显微镜（光学），台阶仪（机械），扫描电子显微镜（SEM，电学） 2，表面形貌：探针技术（机械探针和光学探针）， SEM，原子力显微镜（AFM） 3，应力和应变的测量：1），硅片弯曲，传统的，测 整个硅片，精度低，不可以测弹性模量2），X射线 衍射法（XRD），拉曼光谱法，测量简单，设备昂 贵，精度低3）加载变形和谐振频率法，光路复
杂、精度高、可以测弹性模量 第三章工作原理和敏感材料 一、压阻敏感（应变系数，变阻器） 常见压阻材料（三类）：金属应变器（受温度影响小），单晶硅（涉及掺杂），多晶硅（应变系数小于单晶硅，衬底多） 二、压电效应： 定义：在机械压力作用下会产生电荷和电压 起因：晶体中离子电荷的位移变化引起的极化 代表性材料：石英，钛酸钡（BaTiO3），PET 机电耦合性系数： 三、热敏感：喷墨头，热电偶（测温，自供电，不需外接电源），串联形成 热电堆（用于测温），热电阻器（用作加热装置），两种加热材料：铂（金属材料），多晶硅（半导体材料） 四、静电敏感（代表器件：微静电电机） 静电敏感相比于与静电执行的优点： 1，结构简单，只需两个导电表面2，功耗低，依赖于电压差而非电流3.，响应快，转换速度由充放电时间决定。充放电时间—— 平板电容，叉指电容（IDT） 第四章 一、掺杂 两种工艺： 扩散：固溶度——掺杂物在材料中不改变其晶体结构的最大浓度 离子注入：加速离子穿入硅片，晶格碰撞，随机过程 二、等离子体（由电子、离子、带电粒子组成，对外呈中性） 特征：高密度 产生条件：真空 三种应用： 1）制备方面：辅助不同工艺，沉积材料 2）掺杂：辅助不同工艺对基底材料掺杂 3）刻蚀、微加工或移除基底材料 三、材料：1）衬底材料：硅——机械性能、高温稳定，用110面晶向， 较易加工 石英——透光性好，耐高温
《微机电机械系统》 学习心得 众所周知，21世纪是一个信息经济时代。为适应时代的发展，作为一名当代大学生，所受的社会压力将比任何时候的大学生都要来得沉重，因此在校期间，我们必须尽可能的利用好学习时间，尽可能地学习更多的知识和能力，学会创新求变，以适应社会的需要。 毕竟，不管将来是要从事什么样的相关行业，都需要掌握较为全面的电子知识，因为小到计算机的组装维修，大到器件的设计与制造，知道的更多更全面，那么对于自己以后找工作以及参加工作帮助就越大。在知识经济时代，没有一个用人单位会傻到和知识作对。 基于这样对社会现状的认识，让我积极、认真地对于学习微机电机械系统有了较为良好的心理基础。而我在第一次接触电子就觉得很新鲜，觉得很奇妙，但随着需求的变化，自己对电子接触的不断深入，认识越来越深，特别是进到大学，专业要求学习电路分析，模拟电路，数字电路，微机电机械系统等等之类。 通过学习微机电机械系统，我了解到：微机电系统是一种先进的制造技术平台。它是以半导体制造技术为基础发展起来的。MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，MEMS中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。 微机电系统是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。 微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉等优点。、性能稳定等。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。
研究生课程考试成绩单（试卷封面） 院系电子科学与工程学院专业微电子学与固体 电子学 学生姓名李艳学号121225 课程名称微电子机械系统 授课时间2014年3月至2014年4 月周学时 2 学分 2 简 要 评 语 考核论题[微电子机械系统] 作业 总评成绩 （含平时成绩） 备注 任课教师签名： 日期： 注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。 2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。 3. 学位课总评成绩以百分制计分。
1. 习题1.9 A：查找至少来自两家公司的两种压力传感器的产品性能表。根据1.3.2节所列的传感器性能标准，总结这两种产品的性能。至少从转换原理、灵敏度、动态范围、噪声、销售价格及功耗等方面进行比较。 B：比较至少来自两家独立公司的两种压力传感器（或者其他传感器）。上网搜索这两家公司的两种主要专利，并对专利的保护内容和授权日期进行对比，写一份两页的总结。（提示：可以在下列免费网站搜索，如US Patent、Trademark Office Web、Google patent或者在线专利搜索网站）。 答：A：美国飞思卡尔公司的MPX5010压力传感器与德国JUMO公司的MIDAS C18 SW –OEM压力传感器比较如下： MPX5010 MIDAS C18 SW –OEM 型号 性能 转换原理压电材料三氧化二铝陶瓷薄膜 灵敏度450mV/kPa 动态范围75kPa压力差 1.6—100bar相对压力 最大误差 5.0% 1.6bar 销售价格约65元 功耗≤0.05W ≤0.6W 前者为集成传感器体积较小，功耗较低；后者为机械式的传感器，体积和功耗都较大。两者的应用领域也不同。 B：专利一：
MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS 是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。 制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。 解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是MEMS，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸
微机电系统及纳米技术 大作业 题目：微型光栅 目录 摘要 (2)
关键词 (3) 引言 (3) 衍射光栅 (4) 衍射光栅概念 (4) 传统衍射光栅的技术发展 (4) 硅光栅技术（） (5) 硅光栅的加工制作方法 (5) 硅光栅的体硅制作工艺 (6) 硅光栅的表面硅制作工艺 (6) 硅光栅的应用 (7) MEMS微型可编程光栅（） (8) 可编程光栅结构原理 (8) 微型可编程光栅的工艺 (9) 微型可编程光栅的发展现状 (10) 总结 (11) 参考文献 (12) 摘要 基于光栅技术的光谱分析在物理、化学、天文、生物、冶金学及其他分析领域起着重要的作用。随着科学技术的发展，对光栅技术提出了更高的要求，对新型光栅的研究也受到更加广泛的重视。
随着硅微加工技术的迅速发展，带动了微电子科学的进步，计算机及其它各种电子产品已成为人类不可缺少的工具。与微电子产品相兼容的集成化、微型化的产品为传统的仪器及设备打开了新的应用空间，因而出现了微机械、微光学等在技术上与硅微加工工艺相兼容的新学科。而光栅在微观上的周期性，硅作为晶体材料结构上的特殊性及其加工工艺的兼容性，使人们开始尝试在硅基材料上制作光栅的可能性。1975年W．Tang和S．Wang首次在论文中报道了利用硅加工技术制作光栅m，从此硅光栅被应用在许多不同的领域。 MEMS技术的出现与发展提供了能根据实际情况实时改变结构参数的光栅，即MEMS微型可编程光栅。这种光栅通过静电驱动的方式实现对光栅的结构单元，微变形梁的编程控制。MEMS微型可编程光栅不仅扩展了光栅在传统领域发挥巨大作用，同时促进其在光通讯等领域的广泛应用。因此，对MEMS微型可编程光栅的研究具有重要的研究意义。 本文对硅光栅和MEMS可编程光栅进行了简单的介绍，主要包括其工作原理及结构组成，加工方法，工艺流程及其中的关键工艺，最后简单说明了微型光栅的应用领域、实际应用情况及可能的应用前景。 关键词 微机电系统，硅光栅，微型可编程光栅 引言 光谱是各个波长光波的有序排列。而光谱分析学则是研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用的学科。一直以来，基于衍射光栅的光谱分析技术在物理研究中一直占有重要地位。特别是近年来随着科学技术的发展，光栅光谱技术在天文、生物、化学、冶金学及其他分析领域起着越来越重要的作用：物理学研究方面，光栅光谱分析仪可用于验证量子力学的氢原子光谱采集实验；天文
1、M E M S的概念？列举三种以上M E M S产品及应用？ 微机电系统(MEMS：Micro Electro-Mechanical System)指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结台的综合集成系统，采用微型结构(包括集成微电子、微传感器和微执行器；这里“微”是相对于宏观而言)，使之能在极小的空间内达到智能化的功效。 微机电系统主要特点在于：(1)能在极小的空间里实现多种功能；(2)可靠性好、重量小且能耗低； (3)可以实现低成本大批量生产。 主要应用领域、产品：压力传感器、惯性传感器、流体控制、数据存储、显示芯片、生物芯片、微型冷却器、硅材油墨喷嘴、通信等。 2、何谓尺度效应？在MEMS设计中，如何利用尺度效应？ 当构件缩小到—定尺寸范围时将会出现尺寸效应，即尺寸的减小将引起响应频率、加速度特性以及单位体积功率等—系列性能的变化。构件特征尺寸L与动力学特性关系如表所示。 不同性质的作用力与尺寸的依赖关系不同，从而在微观研究中所占比重有所不同。例如，电磁力与尺寸是L2，L3，L4的关系，幂次较高，从而相对影响铰小；而静电力与尺寸是L0，L-2的关系，幂次较低，影响程度较大。 3、湿法刻蚀和干法刻蚀的概念及其在MEMS中的应用？ 刻蚀就其形式来说可分为有掩膜刻蚀和无掩膜刻蚀，无掩膜刻蚀较少使用。有掩膜刻蚀又可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀一般用化学方法，这种方法刻蚀效率高，成本低，但是其刻蚀精度不高，公害产重(用大量的化学试剂)。干法刻蚀种类很多，有溅射刻蚀、离于铣、反应离子刻蚀和等离子刻蚀等。干法刻蚀中包括了化学反应和物理效应，因此其刻蚀精度较高，且适用于各种材料，包括半导体、导体和绝缘材料。 刻蚀分为湿法到蚀和干法刻蚀。它是独立于光刻的重要的一类微细加工技术，但刻蚀技术经常需要曝光技术形成特定的抗蚀剂膜，而光刻之后一般也要靠刻蚀得到基体上的微细图形或结构，所以刻蚀技术经常与光刻技术配对出现。经常采用的化学异向刻蚀方法又称为湿法刻蚀，它具有独持的横向欠刻蚀特性，可以使材料刻蚀速度依赖于晶体取向的特点得以充分发挥。干法刻蚀是指利用一些高能束进行刻蚀。以往的硅微细加工多采用湿法刻蚀。 4、键合的概念，有几种形式？有何用途？ 一个微型机电系统集微传感器、驱动器及处理器于一体，是一个复杂的智能微系统。其制造工艺，有硅表面微加工工艺、硅的体微加工工艺、硅微电子工艺以及非硅材料的微加工工艺。因此，如果把一个微机电系统建筑于同一硅基片上，那它首先不能克服微系统需用硅及作硅材料多样性上的矛盾；其次它无法解决微传感器、微处理器以及微驱动器集成于同一基片结构复杂性的矛盾；最后，在同一基片上无法解决硅表面及体微加工、非硅材料微加工工艺相容性上的矛盾。 如果将整个微机电系统按结构、材料及微加工工艺的不同，分别在不同基片上执行微加工工艺，然后将两片或多片基片在超精密装配设备上对准，并通过键合手段，把它们连接成一完整的微系统，这是获得低成本、高合格率及质量可靠的微系统的唯一途径。因此，键合技术成为微机电系统制作过程中的重要微加工工艺之一，它是微系统组封装技术的重要组成部分。 键合技术主要可分为硅熔融键合（SFB）和静电键合两种。 按界面的材料性质，键合工艺总体上可分为两大范畴，即硅／硅基片的直接键合和硅／硅基片的间接键合，后者又可扩展到硅／非硅材料或非硅材料之间的键合。对于硅／硅间接键合，按键合界面沉积的材料不同，其键合机制也不同，如沉积的是玻璃膜，按不同的玻璃性质，可以进行阳极键合或低温熔融键合；如果沉积的是金膜(或锡膜)，则进行共晶键合；用环氧或聚酰亚胺进行直接粘合。此外，还可借助于其他手段，如超声、热压及激光等技术进行键合。
小组成员:郑晨晨刘心纪辉强 方璐刘超朱剑锋 2011.05.31 第二章 1.MEMS的设计涉及哪些学科？简述MEMS的设计方法及特点。 答：MEMS的设计涉及到系统设计、微传感器设计、微执行器设计、接口设计和能量供给的设计。 3种设计方法：（1）从系统功能设计开始，展开到系统设计。在进行系统设计时，将元件及功能模块作为一个黑盒子，只对其影响特性进行分析。（2）从系统设计展开到子系统、元器件设计。对于系统优化设计应该由系统设计转向子系统、元器件设计。首先确定系统应该完成的功能、技术条件；其次是确定功能模块的功能要求、技术条件；最后确定元器件的技术条件。（3）中间相遇法(Meet-in-the-Middle)。它利用宏观模块，对于元件简化模型进行分析，只要模型能描述不同物理状态中的特性，就能够在系统中进行合理的仿真。 2.工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。 答：通常有五种方法：J．Kawasaki法简称KJ法。KJ法是由底向上处理大量数据之间关系的一种假设，对于复杂问题进行分析，使用这种方法，可以使问题得到满意的解决。它还可以应用来处理其他类
型的问题，这种问题可以是个别的群体，单一的或者连续的；M.Nakayama法简称NM法。NM法是在自然是日常生活中寻找比拟法创造和开发新技术观点，应用到不同的问题模式中。NM法是根据人脑功能的一种假设，在Nakayama的“人脑计算机模型（HBC）”中描述。这种方法试图解释当问题如理性思考，存在僵局，情感思考，演绎和引导等解决的时候，人类思想行为的模式；Key-Needs法，中文称为关键需要法，它是一种创造与使用者需要一致的新产品概念的工具。这种方法用列出日常生活的需要，以及不被满足原因的描述，用于产品观点的发明。关键需要法是实用主义，具有需要分析和概念评估技术的扩展。为了消费者取得好感，而且不受限制，关键需要法几乎不是根据人类需要的任何理论或者寻找任何概念，而是从实际经验中得到；Kepener-Tregoe法分析问题、解决分析、位能问题分析和位置评价的4种技术结合。它的目的在于应用标准模式一步一步处理的方法，进行工业合理化管理。朱钟淦-捤谷城方法，是针对机械电子产品系统设计时应用，包括四个步骤：产品功能分析；为实施各模块的功能，选择可实施的方案；多种方案的综合评价，优化设计；产品芯片设计。 5,在MEMS产品中如何应用尺度效应进行设计?其根据是什么?对于一阶尺度,如表面-体积尺度变化规律是什么? 通常,尺度的变化规律遵循着两个方面.第一种规律是严格依据物体的尺寸,如几何结构的尺度,物体行为可以有物理规律所决定,这种尺度
习题3-16 一根细长的硅梁受到纵向张应力的作用。力的大小为1mN ，横截面积为20um*1um 。纵向的杨氏模量为120GPa 。求出梁的相对伸长量（百分比）。如果硅的断裂应变为0.3%，那么要加多大力梁才会断裂？ 答：伸长量 l EA Fl l 00042.010 *1*10*20*10*12010*16693 ===?--- 相对伸长量 %042.0%100*=?=l l δ 极限力 mN EA F 2.710*1*10*20*10*120*%3.0669max ===--δ 习题3-19 求出下面所示悬臂梁的惯性矩。材料是单晶硅。悬臂梁纵向的杨氏模量为140GPa 。 答：惯性矩 4193 66310*07.112 )10*40(*10*2012m wt I ---== 习题11-4
下面是北京大学微系统所给出的MEMS标准工艺，以一个MEMS中最主要的结构——梁为例介绍MEMS表面加工工艺的具体流程。 1.硅片准备 2.热氧生长二氧化硅(SiO2)作为绝缘层 3.LPCVD淀积氮化硅(Si3N4)作为绝缘及抗蚀层 4.LPCVD淀积多晶硅1(POLY1)作为底电极 5.多晶硅掺杂及退火 6.光刻及腐蚀POLY1，图形转移得到POLY1图形 7.LPCVD磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层 8.光刻及腐蚀PSG，图形转移得到BUMP图形 9.光刻及腐蚀PSG形成锚区 10.LPCVD淀积多晶硅2(POLY2)作为结构层 11.多晶硅掺杂及退火 12.光刻及腐蚀POLY2，图形转移得到POLY2结构层图形 13.溅射铝金属(Al)层 14.光刻及腐蚀铝层，图形转移得到金属层图形 15.释放得到活动的结构
《微机电系统》课程教学大纲 课程代码：010132024 课程英文名称：Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS） 课程总学时：16 讲课：16 实验：0 上机：0 适用专业：机械设计制造及其自动化 大纲编写（修订）时间：2010.7 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 微机电系统是制造工程领域的最重要发展方向之一，也是高新技术发展的前沿技术。是20世纪末、21世纪初兴起的工程科学前沿，是当前一个十分活跃的研究领域。它被广泛应用于机械制造工程领域、信息工程领域、医学工程领域、武器装备领域和日常生活中高新技术产品制造领域等，因此，对从事制造工程领域的工程技术人员来说，学习和掌握该知识有着重要的意义。 本课程的教学目标是，通过该课程的教学使学生了解制造工程领域技术的新发展，掌握一定的制造工程领域的最新知识，培养学生的微小机械的设计和制造能力，提高学生的创新思维意识。通过该课程的教学使学生掌握或了解微机电系统的相关基础知识，为后续工作中的技术水平的提高和发展奠定一定的基础。同时，将微机电系统领域的新理论、新方法、新技术等传授给学生。并使学生理解并掌握微机电系统领域理论体系及相关产品在实际中的应用情况。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1．掌握微机电系统的概念、技术范畴；了解微机电系统在国民经济中的地位和作用。 2. 掌握微机电系统的设计方法与理念。 3. 掌握典型微机电系统的制造技术方法的原理及关键问题，针对具体加工对象选择相应的方法。 4. 能适当选择微机电系统的测量技术方法，了解相应的原理。 5. 了解微机电系统的发展动态，以及在高新技术领域与国防领域的应用。 （三）实施说明 1. 结合MEMS技术的发展和生产实际，更新教学内容，特别要注重微机电技术发展中新技术的应用。 2. 开展实际工程案例教学，充分利用多媒体等现代化教学手段。 3. 课堂教学要与教师科研实际相结合，培养学生的创新能力和解决工程实际问题的能力。 （四）对先修课的要求 先修课程为：机械制造技术基础理论、机械原理与设计理论、测试技术基础、机械控制工程基础等。 （五）对习题课、实践环节的要求 课外作业：以每个章节内容为单元，实行具有设计性的大作业制。 （六）课程考核方式 1.考核方式：期末考核采用大作业、期末报告或论文形式考核。 2.考核目标：采用课堂的教学模式，加强学生实践能力和自学能力的培养，通过阶段性考核使学生掌握各个环节与阶段的知识，通过最终结业考核使学生系统地掌握或理解课程系统化知识体系。 3.成绩构成：出勤+平时大作业+期末考核，综合评定。
《机电一体化系统设计》复习大纲 第一章概论 本章知识要点： 1. 机电一体化系统的基本概念：系统、机电一体化、机电一体化系统和系统的数学模型 2. 典型机电一体化系统的几种形式：机械关节伺服系统、数控机床、工业机器人、自动引导车、顺序控制系统、柔性制造系统、计算机集成制造系统、微机电系统 3. 典型机电一体化系统功能模块的构成：机械受控模块、测量模块、驱动模块、通信模块、微计算机模块、软件模块、接口模块 4. 典型机电一体化系统组成模块的作用 5. 机电一体化系统设计依据与评价标准 6. 机电一体化系统的设计过程 第二章机械受控模块（重点章节） 本章知识要点： 1. 齿轮的分类及选用 2. 齿轮系传动比最佳分配条件及最小等效转动惯量原则 3. 齿轮副间隙的消除方法 4. 滚珠丝杠螺母副的结构类型 5. 滚珠丝杠螺母副间隙的消除及预紧方法 6. 滚珠丝杠螺母副的支撑形式 7. 谐波齿轮减速器的工作原理及结构 8. 谐波齿轮的传动特点 9. 谐波齿轮传动速比的计算 10. 轴系的组成和分类，轴系的技术要求 11. 导轨的用途及分类 12. 滚动导轨的结构、工作原理 13. 数学模型的物理意义 第三章测量模块（重点章节） 本章知识要点： 1. 机械量传感器的分类 2. 传感器的性能指标（工作特性、静态特性和动态特性） 3. 传感器的性能要求和改善措施 4. 位移传感器（旋转变压器、感应同步器、增量式光电编码器、光栅）的结构和工作原理 5. 速度传感器（直流测速发电机、码盘式转速传感器）的结构和工作原理 6. 加速度传感器的分类及特点 7. 力、转矩和压力传感器的结构和特点 8. 霍尔式电流传感器工作原理和特性
MEMS作业 1.叙述湿法腐蚀技术的主要工艺流程。 湿法刻蚀：利用合适的化学试剂先将未被光刻胶覆盖的晶体部分氧化分解，然后通过化学反应使一种或多种氧化物或络合物溶解来达到去除目的，包括化学腐蚀和电化学腐蚀。 2.叙述干法腐蚀技术的主要工艺流程。 干法刻蚀：利用辉光的方法产生带电离子以及具有高度化学活性的中性原子与自由基，用这些粒子和晶片进行反应达到光刻图形转移到晶片上的技术。 包括离子溅射刻蚀，等离子反应刻蚀等。 3.叙述体硅和表面硅加工技术的机理与特点，各适用于什么场合？ 体硅加工工艺是指对硅衬底片进行加工，获得由衬底材料构成的有用部件的技术。体硅加工方法：湿法刻蚀、干法刻蚀、干湿混合刻蚀、LIGA技术及DEM技术。湿法刻蚀：将被腐蚀材料先氧化，然后由化学反应使其生成一种或多种氧化物再溶解。干法刻蚀：物理作用为主的离子溅射和化学反应为主的反应离子腐蚀兼有的反应溅射。过程：（1）腐蚀性气体粒子的产生；（2）粒子向衬底的传输；（3）衬底表面的腐蚀；（4）腐蚀反应物的排除。干湿混合刻蚀：制造波导等新的微结构装置。 LIGA技术：X光深度同步辐射光刻——电铸制模——注塑 DEM技术：由深层刻蚀工艺、微电铸工艺、微复制工艺三部分组成。可对金属、塑料、陶瓷等非硅材料进行高深宽比三维加工。体硅加工工艺：定义键合区——扩散掺杂——形成金属电极——硅/玻璃阳极键合——硅片减薄——ICP刻蚀面硅加工方法：薄膜制备的外延生长热氧化、化学沉积、物理沉积、光刻、溅射、电镀等。 该技术能够用二氧化硅、多晶硅、氮化硅、磷硅玻璃等加工三维较小尺寸的微器件。面硅加工工艺：下层电极——牺牲层——刻蚀支撑点——沉积多晶硅——刻蚀多晶硅——释放结构表面硅加工技术的关键是硅片表面结构层和牺牲层的制备和腐蚀，以硅薄膜作为机械结构。这种工艺可以利用与集成电路工艺兼容或相似的平面加工手段，但它的纵向加工尺寸往往受到限制（2-5um）。体硅未加工工艺是用湿法或干法腐蚀对硅片进行纵向加工的三维加工技术，但他与集成电路平面工艺兼容性不太好。 4.何为加法工艺？何为减法工艺？如何实现？ 加法工艺：薄膜生成技术 在微机电器件的制作中，常采用蒸镀和淀积等方法，在硅衬底的表面上制作 各种薄膜，并和硅衬底构成一个复合的整体。这些薄膜有多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、合金膜及金刚石膜等。
微纳机电系统 一．引言 微/纳米科学与技术是当今集机械工程、仪器科学与技术、光学工程、生物医学工程与微电子工程所产生的新兴、边缘、交叉前沿学科技术。微/纳米系统技术是以微机电系统为研究核心，以纳米机电系统为深入发展方向，并涉及相关微型化技术的国家战略高新技术。微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS ) 和纳机电系统(Nano Electro Mechanical System, NEMS )是微米/纳米技术的重要组成部分，逐渐形成一个新的技术领域。MEMS已经在产业化道路上发展，NEMS还处于基础研究阶段。 从微小化和集成化的角度，MEMS (或称微系统)指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。而NEMS(或称纳系统) 是90年代末提出来的一个新概念，是继MEMS 后在系统特征尺寸和效应上具有纳米技术特点的一类超小型机电一体的系统，一般指特征尺寸在亚纳米到数百纳米，以纳米级结构所产生的新效应(量子效应、接口效应和纳米尺度效应) 为工作特征的器件和系统。 二．微纳系统的意义、应用前景 由于微/纳机电系统是一门新兴的交叉和边缘学科，学科还处于技术发展阶段，在国内外尚未形成绝对的学科和技术优势；微/纳米技术还是一项支撑技术，它对应用背景有较强的依赖性，目前它的主要应用领域在惯导器件、军事侦察、通信和生物医学领域，以及微型飞机和纳米卫星等产品上。 2.1.重要的理论意义和深远的社会影响 微/纳米系统技术是与其它广泛学科具有互动作用的重要的综合技术，涉及学科领域广泛。微/纳米系统技术是认识和改造微观世界的高新技术，微/纳米系统是结构集成化、功能智能化的产物。微/纳米系统表现出的智能化程度高、实现的功能趋于多样化。例如，微机电系统不仅涉及到微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等广泛学科领域，而且会涉及从材料、设计、制造、控制、能源直到测试、集成、封装等一系列的技术环节。 微/纳米系统技术的发展以之为基础，反过来也将带动相关学科和技术的发展。世界上著名的大学，如美国麻省工学院、加州大学伯克利分校、卡麦基隆大学，以及圣地亚国家实验室等无不把发展微/纳米技术作为重要的研究方面。我国一些著名大学尽管研究方向侧重不一，但也无一例外地重点发展微/纳米技术，实现学科群跨越式发展。 2.2.巨大的经济效益 微机电系统在美、欧、日等发达国家已经形成了一个新兴产业，仅美国微机电系统2005年的商业产值预计可达650亿美元。以控制汽车安全气囊展开的微加速度计为例，估计未来几年内，由分立组件构成的传统加速度计将全部被微加速度计所代替。传统加速度计的单件成本超过50美元，而基于MEMS技术的同类微加速度计的单件成本仅为5到10美元。相比之下，微加速度计更小、更轻、更可靠，功能更趋于完善。 2.3.国防建设的要求 现代军事装备正朝着微型化、集成化、高精度方向发展，微机电系统充分适应了这一趋势，特别是在活动空间狭小，操作精度要求高，功能高度集成的航空航天等领域有广阔的应用潜力。微型飞机( UAV)在未来战争中日益显示出特殊地位，成为最具发展潜力的现代作战武器之一；利用微机械数组进行机翼流体状态检测，并通过微致动来实现宏观飞行控制有望改变传统飞机的模式，并改善其机动性能；微型喷射技术可以有效地实现导弹、卫星等航空
研究生课程考试成绩单 (试卷封面 院系机械工程学院专业机械设计及理论学生姓名刘晨晗学号129580 课程名称微/纳机电系统建模与仿真 授课时间2013年 3 月至2013年 6 月周学时 3 学分 2 简 要 评 语 考核论题MEMS综述 总评成绩 (含平时成绩 备注 任课教师签名: 日期: 注:1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表,综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。 2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。 3. 学位课总评成绩以百分制计分。
目录 1、MEMS简介 (1 2、MEMS历史与发展现状 (2 2.1 MEMS历史 (2 2.2 MEMS发展现状 (3 3、MEMS研究内容 (4 4、MEMS器件举例--悬浮微器件的结构及工作原理 (6 4.1 器件介绍 (6 4.2 器件的结构和加工工序 (6 4.3 器件的生产工艺 (7 4.4 器件的工作原理 (8 5、MEMS的应用与未来 (9 6、参考文献 (11 MEMS 综述 129580 刘晨晗 1、MEMS 简介 图1显示了自然界一些典型事物的特征尺寸,我们人类生活在以米为单位的世界里。两端分别有宏大的宇宙与微小的原子,其间有一段尺寸区间1m μ-100m μ或者0.1m μ-100m μ称为微纳米区间。在1959年12月29日的美国加州理工学院,著名的物理学家理查德-费曼(Richard P. Feynman 在一年一度的美国物理学会上提出
一个极具深刻洞察力的观点“There is plenty of room at the bottom ” 【1】。接下来的时间至今,在微纳米尺度以及原子尺寸级别相关研究的快速发展映证了费曼观点的远见卓识。尤其值得一提的是在微纳米区间的发展。 图1 自然界典型事物的特征尺寸 MEMS 即Micro-Electro-Mechanical System ,它是以微电子、微机械及材料科学为基础,研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置,包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。MEMS 所研究的尺寸范围正好是上述微纳米区间。日本国家MEMS 中心给Microsystem/Micromachine 下的定义【2】:A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks 。 MEMS 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域,其起源可以追溯到20世纪50~60年代,最初贝尔实验室发现了硅和锗的压阻效应,从而导致
4.1 平行板电容器的面积为100um*100um ，计算两极板间距为1um*0.5um 时的电容值。介质为空气。 解：当间距为1um 时： F x A C o r 150 10*56.88-==εε 当间距为0.5um 时： F x A C o r 150 10*13.177-==εε 4.4 由四个硅梁支撑的平行板电容器，上极板面积为1mm*1mm ，四根支撑梁都是500um 长、5um 宽、0.3um 厚。平行板电容器受到的力常数k m 是多少？硅的杨氏模量取120GPa 。 1）0.1N/m ； 2）0.4N/m ； 3）0.00013N/m ； 4）0.00052N/m ； 5）0.00003N/m 。 解： 由四根梁支撑的力常数为 N/m 00052.0) 10*500()10*3.0(*10*5*10*120*4*4363 66933===---l Ewt k m 4.7 对于实例4.1中描述的二氧化硅悬臂梁，如果忽略二氧化硅上的金属薄膜，计算悬臂梁的谐振频率。将结果与发表的谐振频率进行比较。 解 有掺杂薄膜的二氧化硅悬臂梁的谐振频率有明显提高。 6.2考虑100um 长、5um 宽和0.5um 厚的氮化硅横梁。在横梁断裂之前可以在横梁的自由端加多大的力？（假设氮化硅的断裂应变为2%，杨氏模量为385GPa ）写出你的分析步骤。 1）16MN ； 2）16mN ； 3）16uN ； 4）0.16mN ； 5）以上都不正确 解：E s σ = wt F =σ N sEwt F 266910*925.110*5.0*10*5*10*385*%2---=== 故以上都不对。 6.7 下图给出了一个带掺杂压阻的悬臂梁。梁的宽度为w 。假设整个电阻承受分布应力。求出电阻变化的解析解，同时考虑剪应力（图中的F ）和正应力。如果杨氏模量为120GPa ，L 和l 分别为400um 和40um ，w 和t 为20um 和10um ，F=1mN 。求解因为正应力和应变引起的电阻相对变化。 解：%005.0)10*10(*10*20*10*12010*400*10*1*33422 6696 32=====----Ewt FL EI FLt EI Mt s %025.0*==?s G R R kHz kHz L ET wL EIg f n 225.710*108*10*2.2*1210*46.0*10*5.724.221224.2224.22463269424 ====--） （）（πρππ
第1、2章习题及参考答案 1．MEMS的设计涉及那些学科？简述MEMS的设计方法及特点。 MEMS综合了机、电、磁、光、声、热、液、气、生物、化学与多种学科而构成了一门独立的交叉学科。它研究多种学科各自的特征参量相互之间的耦合关系，应用这些物理联系和耦合关系去分析和解决MEMS设计与制造中的问题。 MEMS研究多种学科各自的特征参量相互之间的耦合关系，应用这些物理联系和耦合关系去分析和解决MEMS设计与制造中的问题。因此，在MEMS的设计中必须考虑系统设计方法，信息流程设计方法，建立统一物理特征参量设计方法。 1.MEMS设计与制造的研究和分析，MEMS产品分成系统，子系统、元件（元素） 三个层次。2.信息流程是指MEMS产品中各种信息或物理量传递的次序关系，这种传递关系是以程序形式表达的。3.建立统一的物理特征参量，应该对所需设计对象涉及的各种物理特征参量都相对参照于同一概念的物理特征参量,即相对于系统能量变化而确定。 这样系统内各子系统和元件（元素）的物理特征都可以用相同的物理特征参量描述。 2．工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。 工程系统设计通常有: 1.K.J法。K.J法是由底向上处理大量数据之间关系的一种假设。 K．J法思路步骤： （1）标签制作：收集有关问题的所有事实和信息，并且在单个标签上或者纸片上书写每个事实。 （2）标签归类：对所有的标签进行分组，并仔细阅读。相同属性的标签归在一起，不同属性的个别标签（孤独的狼）放在后面。对每一组标签给定合适的名称，并把 它放在面上。在更高的水平上重复以及处理孤狼。重复上述迭代过程，以及归类 的类型数少于10个。 （3）范围制作：在恰当的空间图样内，仔细布阵最后确定的标签组，给出标签组结构总的了解，用符号描述标签组之间的关系。对纸上图表进行转移排列，以同样的 做法处理布阵子标签组。 （4）说明：用简短动词说明，构筑问题的一般情况，依据简图的事实内容，试图用文字表达、描述简图，并仔细区别个性说明。当解释问题的结构时，解答问题的观 点要进行说明。 2. NM法。NM法是在自然式日常生活中寻找比拟法创造和开发新技术观点，应用到不 同的问题型式中。 NM法的四种技术： （1）NM法的A型式和S型式，联合外观上不相关的量创造观点。A型式（面积）：空间的联合，如“球“加”笔“为钢笔尖。而“鸡蛋”和“玻璃杯”的联合创造出 一种新型鸡蛋包装。S型式（连续的）；时间的联合，当制作电影或卡通片时，用 来创造惊奇的战果。 （2）NM法的T型式（用3种问题型式的求解，创造许多类比。 问题类比（QA）：“以一个实例：创造出许多类比； 问题背景（QB）：“如何制造“，参考类比进行制造； 问题概念（QC）：“任何的提示“，为解决问题取得提示。 （3）NM法的H型式，实行一个类比，完全可产生一个好的答案。同样问题可用作创造类比和观点的提示。
第一章微机电系统（MEMS）概论 掌握MEMS的基本概念、尺度范围； w1-1 试给出微机电系统的定义。 微机电系统，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机械元件和微电子于一体的微型器件、微型系统。 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的集成微器件、微系统。 典型MEMS器件的长度尺寸约在1um~1mm。 了解MEMS技术的发展过程 掌握MEMS与微电子技术的对比特征； 1.微型化Miniaturization 。微米量级空间里实现机电功能，典型MEMS器件的长度尺寸约在1um~1mm。 2.集成化Microeletronics Integration ，从而提高功能密度。 3.规模化Mass Fabrication with Precision。采用微加工，形成类似IC的高精度批量制造、低成本、低消耗特征 MEMS的加工与一般传统加工方法的对比特征。 w1-4 微型机件的加工与一般传统加工方法的区别在哪里？ 1.两者设计与制作方法不同。 2.控制方法和工作方式不同。 3.与环境的关系不同。
4.不能忽略尺度效应。 理解MEMS微尺度效应的概念。w1-5 尺度效应的概念。 传统机械材料是经过熔炼、压延、切削加工成形，微机械结构的加工使其物理性能与整体材料不同，其性能随构件结构和制造工艺参数变化很大。尺寸微小化对材料的力学性能和系统的物理特性产生很大影响 第二章MEMS材料 掌握微机电系统主要材料——硅的晶体结构；二氧化硅、氮化硅、碳化硅基本物理性能、用途和制备方法 晶体结构:硅属于立方晶体结构 SiO2： 1 作为选择性掺杂的掩模：SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向半导体中扩散的能力。 2 作为隔离层：器件与器件之间的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好，它采用一个厚的场氧化层来完成。 3 作为缓冲层：当Si3N4直接沉积在Si衬底上时，界面存在极大的应力与极高的界面态密度，因此多采用Si3N4/SiO2/Si结构可以除去Si3N4和衬底Si之间的应力。 4 作为绝缘层：在芯片集成度越来越高的情况下就需要多层金属布线。它之间需要用绝缘性能良好的介电材料加以隔离，SiO2就能充当这种隔离材料。 5 作为保护器件和电路的钝化层：在集成电路芯片制作完成后，为了防止机械性的损伤，或接触含有水汽的环境太久而造成器件失效，通常在IC制造工艺结束后在表面沉积一层钝化层，掺磷的SiO2薄膜常用作这一用途。 6.填充空腔的牺牲层。 氮化硅：
《机电一体化系统设计》复习大纲 （课程代码：02245） 第一部分课程性质与知识要点 一、课程性质与特点 《机电一体化系统设计》是机械电子工程专业的一门必修专业课，是一门多学科集成的科目，核心是机械工程、电子工程、信息工程以及控制工程。所以这门学科具有综合性强、实践性强、应用性强的特点。 二、课程目标与基本要求 本课程设置的目的在于使考生在已学过多门课程的基础上，能针对机电一体化系统，将有关知识结合起来，拓展系统设计的知识，并全面了解传统机电产品更新换代和新机电一体化产品研制开发的主要技术内容和方向，掌握必要的基本设计知识与技能。 本课程强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择计算和总体设计的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。 教学的基本要求包括： 1、了解机电一体化系统的基本概念以及相关的名词术语。理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。 2、了解机电一体化系统中各个主要部件的工作原理，理解各种部件的性能与功能，掌握它们设计选型原则和方法。 3、了解步进电动机运动控制系统的组成。理解步进电动机的工作原理和分类、矩角特性。理解步进电动机的运动控制方法，其中包括脉冲功率放大器。脉冲分配器、运动控制指令生成原理和方法。 4、了解闭环伺服系统的工作原理和方案。掌握闭环伺服系统的电流环，速度环及位置环等三个环路的组成。理解闭环伺服系统的主要性能指标及分析方法。了解控制器中比例、积分及微分等三个增益系数对系统性能的影响。 5、了解机器运动控制指令生成的基本原理和方案。了解数字微分分析仪器生成直线和圆周运动控制指令的方法。理解直线运动控制指令插补原理。 6、了解基于可编程序逻辑控制器的顺序控制系统的工作原理。 三、课程使用的教材 《机电一体化系统设计》课程使用的教材是全国高等教育自学考试指导委员会组编，董景新、赵长德主编的《机电一体化系统设计》，机械工业出版社2007年出版。 四、课程试题结构说明 《机电一体化系统设计》是机械电子工程专业的助学课程，试题结构如下： 单选题20个小题，每个小题1分，共计20分； 多选题5个小题，每个小题2分，共计10分； 填空题10个小题，每个小题1分，共计10分； 简答题5个小题，每个小题5分，共计25分； 计算题2个小题，每个小题10分，共计20分； 分析题1个小题，每个小题15分，共计15分。