合肥工业大学MEMS考试重点(共8页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上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 3s 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 8s 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：灵敏度；线性度；响应特性；信噪比；动态范围；带宽；漂移；可靠性；串扰和干 扰；开发成本和时间执行器的相关指标：专心-专注-专业扭矩和力的输出能力；行程；动态响应速度和带宽；材料来源及加工难易程度；功耗和功率效率；位移与驱动的线性度；交叉灵敏度和环境稳定性；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：电能（E），机械能（Mec），化学能（C），辐射能（R），磁能（Mag），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。11. 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（=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：PPT160173，书 p79p83x0x=-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：CMOS 工艺与表面牺牲层工艺相结合；COMS 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ll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ll热线式风速计热传递剪切应力传感器3)红外传感器l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？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. RF MEMS 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、MEMS pro、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是什么？1)各向异性湿法刻蚀 原理：硅湿法刻蚀技术采用液态化学刻蚀液去除材料，其刻蚀速率与晶向有关。 加工特点：可以加工得到独特的三维结构，加工成本比干法刻蚀的成本低很多。2)等离子体刻蚀 原理：利用等离子体的放电，产生具有化学活性的粒子，与衬底界面发生反应，最终刻蚀出所需的 结构。 加工特点：不需要衬底与刻蚀液接触，简化了衬底的清洗步骤；有更多的掩膜材料选择，所需的温度较低。深反应离子刻蚀 原理：采用刻蚀、钝化重复交替的方法。在钝化周期，在刻蚀表面淀积一层钝化层，在随后的刻蚀 周期，由于刻蚀粒子的轰击，槽底部的钝化层被选择性地刻蚀，在侧壁上的钝化层则可以起到保护 作用，防止侧壁的腐蚀。 加工特点：刻蚀速度快、侧壁陡直、可以在常温下刻蚀；刻蚀选择性和均匀性好。 各向同性湿法刻蚀汽相刻蚀原理：（在室温下，XeF2 是固体，BrF3 则是液体。）当压强小于 100mtorr 时，XeF2 和 BrF3 就可以 分别升华或蒸发得到具有反应活性的气体，即使在室温下，这些气体也能与单晶硅或者多晶硅迅速 反应，得到各向同性的刻蚀结构。但这些反应气体基本上不会刻蚀普通的掩膜材料，如二氧化硅， 金属，甚至光刻胶。3)4)5)30. 列举 DRIE(深反应离子刻蚀)可实现的三种 MEMS 结构微针、梳指结构、刻硅槽31. 牺牲层腐蚀的基本原理和特点，常用的结构层和牺牲层材料的选择与组合基本原理及特点:首先在硅片上淀积一层牺牲层。通过光刻图形化定义牺牲层的形貌，随后淀积并图形 化结构层薄膜。（牺牲层材料应为结构层提供支撑，这种支撑必须具备机械上的坚固性和化学上的可 靠性。牺牲层在工艺过程中应当扮演可靠空间定位角色。）随后牺牲层材料被有选择地去除以释放压 在其上的结构层。如果牺牲层刻蚀是在化学溶液中进行，这些液体必须去除后才能得到最终的结构。有很多种可供选择的结构层材料和牺牲层材料，需根据各个应用的特殊要求进行适当的材料选择。最常采用的材料组合是多晶硅（用作结构层）和磷硅玻璃（简称 PSG，用作牺牲层）。还有聚合物、金属 元素可作为牺牲层，锗硅、多晶锗、金属元素可作为结构层32. 各向异性腐蚀有什么特点？可实现哪些器件或结构？特点：刻蚀速率与晶向有关、成本低、可加工得到独特的三维结构。 器件：压力传感器、加速度传感器、神经探针和扫描隧道显微镜的探头。 结构：凹槽结构、凸出结构及一些悬浮微结构。33. 列举一种磁执行器的工作原理与实现方式。见书 P222