搜索
MEMS考试复习题第一章绪论1.微电子工业与MEMS的关系(网上搜索)教材总结：微电子工业与MEMS的关系主要有以下几点：对于MEMS的发展而言，微电子工业集成电路技术是起始点，集成电路产业按照摩尔定律一直发展到今天，推动着信息社会的迅速发展。电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。MEMS是由集成电路技术发展而来的。它经过了大约20年的萌芽阶段，在萌芽时期，主要是开展一些有关MEMS的零散研究。1)2)3)PPT:微系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展。70年代微机械压力传感器产品问世，80年代末研制出硅静电微马达，90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产，充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景。MEMS用批量化的微电子技术制造出尺寸与集成电路大小相当的非电子系统，实现电子系统和非电子系统的一体化集成，从根本上解决信息系统的微型化问题，实现许多以前无法实现的功能。今天的MEMS与40年前的集成电路类似，MEMS对未来的社会发展的推动已经逐步显现，它也是21世纪初一个新的产业增长点。1)2)3)2.1)2)3)几种主要的商业化MEMS器件及其优点(列举两到三种)MEMS压力传感器优点：具有较高的测量精度、较低的功耗和极低的成本。喷墨打印头优点：廉价，性能好，可以提供高品质的彩色打印。（高分辨率，高对比度）数字光处理器(DLP)优点：与LCD投影相比，DLP具有更高的像素填充因子，更高的亮度、灰度和对比度，光利用效率高，对比度和色彩平衡的长期稳定性好。集成惯性传感器（高灵敏度，低噪声，低使用成本，满足了汽车市场使用的需要）加速度传感器（对地震监测的超高灵敏度，高可靠性与长期稳定性）4)5)热墨喷头的结构(组成)和工作原理3.结构组成：喷墨嘴、加热条、墨汁腔工作原理：通过喷墨打印头上的电加热元件，在3μs内急速加热到300℃，使喷嘴底部的液态油墨汽化并形成气泡，该蒸汽膜将墨水和加热元件隔离，避免将全部墨水加热。加热信号消失后，加热陶瓷表面开始降温，但残留余热仍促使气泡在8μs内迅速膨胀到最大，由此产生的压力压迫一定量的墨滴挤出喷嘴。随着温度继续下降，气泡开始呈收缩状态。喷嘴前端的墨滴因挤压而喷出，后端因气泡的收缩使墨滴开始分离，气泡消失后墨水滴与喷嘴内的墨水就完全分开，从而完成一个喷墨的过程。4.比例尺度定律的定义有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能会变得很差。与之相反，有些对宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺寸范围内会变得很突出，这称之为比例尺度定律。5.MEMS传感器与执行器件设计应该考虑的因素传感器的重要特性：①灵敏度；②线性度；③响应特性；④信噪比；⑤动态范围；⑥带宽；⑦漂移；⑧可靠性；⑨串扰和干扰；⑩开发成本和时间执行器的相关指标：①扭矩和力的输出能力；②行程；③动态响应速度和带宽；④材料来源及加工难易程度；⑤功耗和功率效率；⑥位移与驱动的线性度；⑦交叉灵敏度和环境稳定性；⑧芯片占用面积6.MEMS本质特征（3M）1)小型化2)微电子集成3)高精度的批量制造4)智能化（附）7.MEMS换能器工作的能量域（传感器主要分为两类：物理传感器与生/化传感器。）传感器和执行器统称为换能器（transducers），换能器可实现一种能量到另一种能量的转换。主要的能量域有6个：①电能（E），②机械能（Mec），③化学能（C），④辐射能（R），⑤磁能（Mag），⑥热能（T）第二章微制造导论8.MEMS基于微电子硅基工艺的理由微电子工艺已经建立了成熟的工艺技术，并且在工艺控制和质量管理上也有良好的基础，所以MEMS器件首先在硅圆片上发展起来。（在技术和生产上成本比较低廉）9.传统制造与微制造的主要区别，如材料、处理、工艺等1)硅是MEMS和集成电路的主要衬底材料，机械特性较脆，不能用机械切割工具成形；2)MEMS和集成电路制作在晶圆片上；3)MEMS裸芯片或器件一般又小又多，并不能由人工来处理，必须由与之相匹配的具有自动分类、拾取和放置功能的机器来处理。10.MEMS所特有或新兴的工艺及其优点①体微机械加工：即选择性地去除体材料形成特定的三维结构或机械元件，还可以与圆片键合以形成更复杂的三维结构。优点：可以相对容易地制造出大质量的零部件。表面微机械加工：通过去除薄膜结构下的间隔层来获得可动的机械单元，而不是对衬底进行直接加工。这层间隔称为牺牲层。优点：工艺简单，容易与CMOS电路集成。新工艺：激光刻蚀、立体光刻、局部电化学淀积、光电铸等。②③11.DRIE、LPCVD、LIGA、牺牲层腐蚀工艺(名词解释)DRIE：深反应离子刻蚀。LPCVD：低压化学气相淀积。LIGA：即光刻、电铸和注塑的缩写。牺牲层腐蚀工艺：首先淀积和图形化牺牲层，接着在牺牲层之上淀积结构层。之后选择性地去除牺牲层以释放顶部的结构层。这种工艺称为牺牲层腐蚀工艺。12.MEMS工艺中需考虑哪些因素（在教材中，只需要列举2至3个）1)淀积速率和刻蚀速率2)淀积速率和刻蚀速率在圆片上的均匀性。3)过刻蚀的敏感度（选择性）。4)刻蚀的选择性。5)温度兼容性。6)全部加工工艺时间和工序数。7)环境的洁净度要求。8)淀积和刻蚀的分布。13.画出一种MEMS器件(微加工压力传感器)的工艺流程图，要求至少包含三种单项工艺静电微马达：（a）LPCVD淀积牺牲层（如氧化硅）（b）淀积结构层（多晶硅）（c）光刻（d）淀积第二层牺牲层（e）光刻和化学湿法刻蚀（f）淀积第二层结构层（g）光刻（h）去除两层牺牲层第三章电学与机械学基本概念14.应力、应变、本征应力、杨氏模量、谐振频率和品质因素。（名词解释）应力：对于任意选择的横剖面，在剖面的整个面上都有连续的分布力作用。这个力的密度就称之为应力。正应力：应力以垂直于横剖面的方向作用。剪切应力：应力以平行于横剖面的方向作用。应变：支杆的单位伸长量表示应变。如果应变的方向垂直于梁的横截面，则这种应变就称为正应变。假设杆本来的长度为L0,在给定正应力的作用下，杆伸长到L,则杆的应变就定义为s=∆L=L-L0L0L0本征应力：即使在室温和零外加负载的情况下，很多薄膜材料都存在内部应力的作用。这一现象称为本征应力。杨氏模量：在小形变情况下，根据胡克定律，应力和应变成正比（σ=Es）,比例常数E就称为弹性模量，弹性模量也称为杨氏模量，它是材料的固有性质。谐振频率：谐振频率就是电路发生谐振时的频率。品质因数：品质因数代表谐振峰的尖锐程度，可以有很多定义方法。从数学上讲，品质因数与最大值一半处的宽度（FWHM）有关，谐振频率和FWHM之间的比值就是品质因数（Q=fr）。从能量的角度∆f来看，品质因数是系统中存储的总能量和每一个周期中损失能量的比值。第四章静电敏感与执行原理15.静电敏感与执行的基本原理静电型换能器的基本依据来自电容器，电容器通常定义为可以存储相反电荷的两个导体，它既可用作传感器，也可用作执行器。换能原理当电容两极的间距和相对位置因外加激励而变化时，其电容值也随之变化，这就是电容（静电）敏感机理。相反地，当一定电压（或电场）施加在两导体上，导体之间产生静电力，这定义为静电执行。静电敏感：当电容器的间距或相对位置因外加激励而改变时，它的电容值也随之变化。静电执行：当电压或电场施加于两个导体上时，导体之间会产生静电力。16.静电敏感与执行的主要优点与缺点1）结构简单仅需两个导电表面，无需专门的功能材料，易于实现，与其他敏感方式相比敏感与执行原理简单。2）低功耗静电执行依赖于电压差而并非电流，低频时不存在电流，有很高的能效，高频时会产生偏置电压的位移电流，有一定的功耗。3）响应快转换速度由电容充放电时间常数决定，对于良导体，这一时间极短，故静电敏感与执行可获得较高的动态响应。4）所需电压高几百伏驱动电压较为常见，会带来一些负面影响。17.简述静电微马达的工作原理和制作工艺流程（最好画图书图4-1，p74）（组成：静电微马达由转子以及一组固定电极组成，转子放置于固定在衬底的轴承上，固定电极称为定子，位于转子外围。）工作原理：首先对一组定子电极施加偏置电压，该组中任一给定定子与其相邻的转子齿轮之间会产生静电引力，从而使齿轮与定子对准。转子小角度运动后，此时电压偏置转移到下一组定子电极上，在相同运动方向引起另一次的小角度位移。通过分组连续激励定子电极，转子可以实现持续的运动。制作工艺流程见第13题18.Pull-in电压与吸合距离的估算（不考计算题）讲述吸合距离如何得到：吸合距离的估算：PPT160~173，书p79~p83x0x=-3Pull-in电压：在某一特定偏置电压作用下，机械回复力曲线与静电力曲线相交于一个切点，该切点处机械回复力与静电力平衡。静电力常数（由交点处梯度给出）的大小等于机械力常数。满足这一条件的偏置电压称为pull-in电压。Pull-in（吸合）现象：当仅作线性变化的机械回复力无法再平衡静电力时，静电力仍会继续变大，两平板将迅速吸合，接触到一起。19.平行板电容器的主要应用类型有哪几类1)惯性传感器2)压力传感器3)流量传感器4)触觉传感器5)平行板执行器20.电容式压力传感器的工作方式有哪些电容式压力传感器有两种工作模式，一种为非接触式方式，另一种为接触式方式，接触式压力传感器用来提高传感器的线性度，并提供过载保护。（非接触式压力传感器在测量范围内两极板不相互接触，依靠极板间距的变化来获得电容值的变化量，电容的变化量与极板间距成反比，因此非接触式压力传感器线性度较差；接触式压力传感器采用了不同的传感器原理，两极板在测量范围内相互接触，之间由介质层隔离，通过接触面积的变化获得不同的电容变化量，当极板接触后，电容值随压力成线形变化，通过优化设计，使得传感器的线性度和灵敏度都得到相应提高。）21.电容式压力传感器与电路集成的主要方式有哪两种？目前出现的集成绝对压力传感器的主要类型为：①CMOS工艺与表面牺牲层工艺相结合；②COMS工艺与体硅微机械加工工艺结合，并采用阳极键合实现真空密封。第五章热敏感与执行原理22.热量传递的四种机制1)热传导。即当存在温度梯度时，热量通过固体媒介传递。2)自然热对流。即热量从表面传递到静止流体内部，流体里的温度梯度通浮力引起了液体的局部流动，流体的运动促进了热传递。3)强迫热对流。即热量传递到运动流体的内部，这种内部流体运动比自然热对流引起的热传递要强。4)辐射。即通过真空或空气中传播的电磁辐射引起热量的损失或增加。23.列举三种热传感器和热执行器的应用热传感器的应用：1)惯性传感器基于热传递原理的加速度计没有可动质量块的热加速度计2)流量传感器热线式风速计热传递剪切应力传感器3)红外传感器用于红外敏感的双金属结构热执行器的应用：1)喷墨打印机2)热双层金属执行器3)弯梁电热执行器24.简述热双层片人工纤毛执行器的工作原理在循环的开始，两组执行器都抬高以举起微小的物体。其中一组并先降低，另一组后降低，这样物体就向前移动一小段。先降低的一组将先回到提升的位置，使物体再次向前移动一小段距离。接着，第二组执行器也提高，系统回到初始的位置，完成一个循环。通过一个周期，物体向前移动了一小段距离，而物体长距离地移动可通过重复循环实现。25.射频与微波系统中，常用的MEMS器件有哪些？①②③④⑤⑥双端固支梁谐振器双端自由梁谐振器等平面圆盘谐振器可变电容器微机械电感微机械开关1)双端固支梁谐振器双端自由梁谐振器2)等平面圆盘谐振器3)4)可变电容器微机械电感5)6)微机械开关26.RFMEMS开关有哪几种主要的结构形式？（根据开关梁的结构分类）1)射频微机械膜开关2)射频微机械折叠梁开关3)射频微机械纹膜梁开关4)射频微机械折合梁开关27.重掺杂自停止工艺和键合工艺可用来实现何种器件？电容式压力传感器、单片集成的加速度计和压力传感器28.列举三种常用的MEMS设计软件Coventorware、Intellisuite、MEMSpro、Ansys29.体硅微机械加工主要有哪几种工艺？它们的主要原理和加工特点