MEMS基本常识
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一、 MEMS基本常识
1、 MEMS的特征尺寸范围1um~1mm 2、 MEMS的本质特征——小型化、微电子集成、批量制造
3、 摩尔定律——集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小根号2倍
4、 Accelerometer(加速度计)；Near field microscopy(近场显微镜)；Resonant sensor(谐振传感器)
5、 MEMS技术的构成：微制造、微器件和微系统
6、 半导体中两种自由载流子：电子和空穴 7、 单晶硅单位晶体中原子总数：18
8、 单晶硅常用于MEMS衬底材料，其应用普遍性主要的原因是什么？
它的力学性能稳定，并且可被集成到相同衬底的电子器件上。硅几乎是理想的结构材料。
它的熔点为1400摄氏度。它的热膨胀系数比钢小八倍。最重要的是，硅在事实上没有迟
滞，因此是理想的传感器和致动器的理想候选材料。 9、 MEMS中的核心元件一般包括哪两个部分：传感器和信号传输单元
10、就微系统而言，化学性能最稳定的材料是碳化硅；最便宜的热和电绝缘材料是二氧化硅
11、哥氏效应、Sagnac效应：
哥氏效应：质点作圆周运动的同时也作径向运动或圆周运动时，会产生一个分别垂直于
这两轴方向的作用力，叫做哥氏力。哥氏力的大小为F=2mwu Sagnac效应：将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个旋转环路内沿相反
方向循环行一周后会合，产生相位差发生干涉。
二、 微传感器与微执行器
1、 传感器的基本工作原理是：将一种能量信号转换为另一种能量信号；执行器的基本工作原理是：通过机电转换结构将电学控制信号转化为机械动作。
2、 传感器中力-电转换机理通常有压阻式、电容式、谐振式、隧道式、压电式
3、 测量微压力传感器中薄膜的变形方法：电子方法
4、 微传感器按传感机理分：压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流；按物理参数分类：
力(加速度/压力/声)、热（热电偶/热阻）、光（光电类）、电磁（磁强计）、化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）
5、 利用半导体光电导效应可制成光敏电阻，其基本原理是：辐射时半导体材料中的电荷载
流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化
6、 隧道电流敏感原理：在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和
电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。在标准情况下（0.5eV,1nm），隧道电极间距d变化0.1nm时，隧道电流It改变2倍
7、 压阻式传感器受到温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移
8、 各种敏感原理特点比较 传感器
类型 测量
范围 精度
频响
线性度
信号处理电路 结构
工艺 技术成
熟性
压阻式 大 中 高 较好 简单电桥电路 简单 好
电容式 小 高 中 较好 高灵敏度的开关
电容或电桥电路 复杂
差
谐振式 小 高 中 较好 宽频带闭环
谐振回路 复杂
差
压电式 大 低 高 较好 电荷放大器 简单 好 隧道式 小 高 高 较差 高灵敏度电流 检测电路 复杂 差
热对流
式 大 中 低 一般 热敏电阻电桥 简单 差
9、 常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式微压力传感器
10、MEMS光开关：利用MEMS技术制作的，用于切换光路的器件
11、MEMS光开关的特点：较低的插入损耗；反应迅速；较宽的带宽；尺寸小、低能耗；容
易大规模集成；制造成本低 12、微致动器的分类：静电式微执行器；压电式微执行器；热力微执行器；电磁式微执行器；
形状记忆合金微执行器
13、无源MEMS光学器件：透镜，反射镜
14、有源光MEMS执行器：离面小位移执行器；面内大位移执行器；离面转动执行器
15、使用压阻和电容作为信号转换器的优点和缺点是什么？ 本题的要点在于压电电阻作为信号转换器的优点是：工艺简单、线性度好、容易集成；缺点
是：温度效应不好。电容式信号转换器的优点是：测量精度高，温度效应好；缺点是：工艺
比较复杂，线性度较差。
16、微型磁强计概念？按其工作原理分类？
本题的要点在于压电电阻作为信号转换器的优点是：工艺简单、线性度好，容易集成；缺点是：温度效应不好，电容式信号转换器的优点 是测量精度高，温度效应好；缺点是：工艺
比较复杂，线性度较差。
17、谐振式加速度计敏感原理
当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是
β=ώ/ώn→1.0 18、微加速度传感器主要用于测量物体运动过程中的加速度信号有：过载、振动和冲击信号
19、微谐振器的振幅决定于：激励的大小、粘滞阻尼和微谐振器自身的机械损耗，随着振幅
的增大，微谐振器的机械损耗也将增加，而且机械损耗和振幅又无严格的线性关系。
20、从尺度效应的角度简述静电力驱动和电磁力驱动的特点
静电力随着面积的尺度的减小按I^2的方式衰减，而电磁力则按照I^4的方式衰减，因而在微电机中往往采用静电力驱动，可以获得足够的驱动力。而宏观大型电机则往往采
用电磁力驱动，因而在宏观尺度下，I^4的变化趋势意味着可以获得很大的电磁力，而
静电力则比较小。
三、 微系统设计基本知识
1、 热应力产生原因：由于两种材料之间的热膨胀系数不同，或均匀材料内部温度分布不同
2、 微器件的固有频率由其刚度矩阵和质量矩阵所决定。
3、 杨氏模量的量纲：牛/米^2（N/m^2）；Pa；Gpa；
4、 从力学角度分析，最适合的微传感器薄片采用圆形几何形状。
5、 工件发生轴向变形时，在横向方向上也会产生等比例形变，描述这一现象需要用到的参数是泊松比。
6、 位传感器的技术指标中量程、灵敏度、线性度、分辨率、重复性、频响范围的概念
量程：测量范围上限值和下限值的代数差
灵敏度：传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值
线性度：传感器输出与输入之间的线性程度 分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量
重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致程度
频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作的频率区间
7、 胡克定律说明了材料所受压力和应变之间具有线性比值关系 8、 对于线性材料小挠度条件，无论边界条件或载荷怎么样，弯曲与载荷成正比
9、 对于压阻传感器，应该尽可能将压阻元件布置在器件敏感结构的应力最大点上〃
10、当驱动力频率等于固有频率的时候，结构会发生共振的现象
11、微系统部件的“深宽比”：深度方向尺寸和表面方向尺寸之比
12、和同样尺寸的固支梁相比，悬臂梁结构的微加速度计具有更高的灵敏度 13、计算题
四、 MEMS工艺
1、 腐蚀分类：湿法腐蚀和干法腐蚀
2、 干法腐蚀的分类： 干法腐蚀包括：PE——plasma etching(等离子体腐蚀)，RIE——reactive ion etching(反应离
子腐蚀)，ICP——inductively coupled plasma etching(感应耦合等离子体腐蚀)，TCP——
transformer coupled plasma etching(变压器耦合等离子体腐蚀)，ECR——corrosion of
electron cyclotron resonance(电子回旋共振腐蚀)等
3、 湿法腐蚀形成质量块的时候需要进行凸角补偿 4、 通常微加工技术有：体硅工艺、表面工艺、LIGA工艺
5、 光刻？光刻工艺？光刻的具体工艺流程？光刻的目的？
● 光刻，就是用辐照方式形成图形的方法
● 光刻工艺就是利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合腐蚀方法在各种薄膜或硅上制备出合乎要求的图形，以实现制作各种电路元件、选择掺杂、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。
● 步骤：清洗和烘干、甩胶、前烘、对准和曝光、显影、坚膜、腐蚀
● 光刻的目的就是按照器件设计的要求，在二氧化硅薄膜或金属薄膜上面，刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线。 设计题：
1、 利用体硅工艺设计一个压阻式微加速度传感器
2、 利用体硅工艺设计一个电容薄膜压力传感器
各种敏感原理的优缺点
材料生长和制造工艺流程复杂，不能在高温条件下工作电信号自产生能力，无需外加电源压电敏感对环境温度变化敏感材料简单（金属应变计）需要硅掺杂工艺以获取高性能的压敏电阻高灵敏度压阻敏感相对静电敏感响应速度较慢省去了可动部件相对较大的功耗材料简单热敏感对微粒与湿度敏感响应速度快信号读出电路复杂较低的工作电流与工作电压需要较大的器件尺寸以得到足够大的电容材料简单静电敏感缺点优点
ma＋V
－VVo
压敏电阻m压电材料aCf
Vo
ma电极解调Vom
振梁a
ma
硅尖加热电阻
热敏电阻＋V
－VVoa
气腔
