MEMS考试复习题最终版

MEMS 考试复习题 （占 80%） 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： 1) 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。 2) 电子器件小型化和多功能集成是微加工技术的推动力。 3) 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。 PPT: 1) 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。 2) 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。 3) 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。 2. 几种主要的商业化 MEMS 器件及其优点(列举两到三种) 1) 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。 2) 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） 3) 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。 4) 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） 5) 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） 3. 热墨喷头的结构(组成)和工作原理 结构组成：喷墨嘴、加热条、墨汁腔 热喷墨技术其工作原理是通过喷墨打印头（喷墨室的硅基底）上的电加热元件（通常是热电阻），在 3 微秒内急速加热到 300 摄氏度 ， 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，避免将喷嘴内全部墨水加热。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 8 微秒内迅速膨胀到最大，由此产生的压力压迫一定量的墨滴克服表面张力快速挤压出喷嘴。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，后端因墨水的收缩使墨滴开 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，性能可能会变得很差。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突然变得很突出，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）传感器的可靠性 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 和集成电路制作在平面晶片上；（MEMS 的平坦化得到了较高的均匀性和分辨率，圆片的 平整度也保证了整个圆片表面有相同的晶向） 3) MEMS 芯片或元件一般很小，现有的机器人设备很难夹住、有效处理和装配它们。 10. MEMS 所特有或新兴的工艺及其优点 1) 体微机械加工 优点： 体微机械加工工艺包括选择性的去除体(硅衬底)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。 2) 表面微机械加工 优点：通过去除薄膜结构下的支撑层来获得可动的机械单元，而不是在衬底 下面加工。这层间隔称为牺牲层。 11. DRIE、LPCVD、LIGA、牺牲层腐蚀工艺(名词解释) DRIE：深反应离子刻蚀，一种微电子干法腐蚀工艺。 LPCVD：低压化学气相淀积 LIGA：光刻电镀成型工艺，代表其工艺的主要步骤：深层 X 射线光刻(lighography)、电镀(galvo)和 注模(abformung) 。【光刻、电镀、塑铸】 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。 CVD：使用一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜 的生长技术。 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) 材料的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 涂覆光刻胶，烘烤，曝光，显影，然后光刻胶作为掩膜刻蚀下层，最后取出光刻胶。(26) 体加工的应用压力传感器（流程图见书上图 2-6、4-10。图 4-8,4-9,4-11 也可以用） 主要步骤： 1) 清洗裸片 2) 高温炉形成二氧化硅保护膜 3) 淀积薄胶，软烘 4) 光刻胶曝光，显影 5) 硬烘 6) 除胶 7) 湿法腐蚀 8) 键合另一硅片 9) 减薄圆片顶部，形成薄膜 10) 完成掺杂区 第四章 静电敏感与执行原理 14. 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，电容器一般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。） 15. 静电敏感与执行的主要优点与缺点 1）结构简单 易于实现 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。 16. 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。定子成组施加同步偏置电压，比如可以将四个电极分为一组。） 工作原理：首先对一组定子电极施加偏置电压（由电极旁边的箭头符号可以判断电极在电压偏置下所 处的状态），该组中任一给定定子与其相邻的转子齿轮之间会产生面内电场，并在它们之间产生静电 引力，从而使齿轮与定子对准。在上百伏电压的作用下，产生的转矩在皮牛顿米(pNm)的量级，这足 以克服磨擦。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。 17. 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： Pull-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。弹簧 的等效力常数为零，也就是极端柔软。这一特殊条件通常应该小心处理。满足这一条件的偏置电 压称为 pull-in 电压（Up） 吸合距离的估算：PPT160173，书 p79p83 18. 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) 触发传感器 5) 平行板执行器 19. 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 用来提高电容式压力传感器的线性度，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。 20. 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：(1)CMOS 工艺与表面牺牲层工艺相结合加工而成的集 成绝对压力传感器；(2)CMOS 工艺和微机械体加工工艺以及硅玻璃阳极键合相结合加工而成的压力 传感器。 （1，表面加工工艺与 COMS 工艺结合。2，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 21. 热量传递的四种机制（ppt 上有） 1) 传导，即当存在温度梯度时，热量通过固体媒介传递。 2) 自然对流， 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， 流体质量的运动促进了热传递。 3) 强迫对流，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增强。 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。 22. 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) 双层片人工纤毛执行器 3) 横向热执行器 23. 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。其中一组先执行并会降低，另一组后降低，这 样导致它携带的物体向前移动一小段。先降低的一组将先回到提升的位置，使物体在此向前移动一小 段距离。接着，第二组执行器也提高，系统回到初始的位置。第一组的执行器被释放，而完成一个循 环。通过一个周期，物体向前移动了一小段距离。而物体长距离的移动可通过重复循环实现。 24. 射频与微波系统中，常用的 MEMS 器件有哪些（画出示意图 PPT296） 1) 双端固支梁谐振器 2) 双端自由梁谐振器 3) 等平面圆盘谐振器 4) 可变电容器 5) 微机械电感 6) 微机械开关 25. RF MEMS 开关有哪几种主要的结构形 式？ 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 26. 重掺杂自停止工艺和键合工艺可用来实现何种器件？(ppt 上有) 单片集成的加速度计、压力传感器 27. 列举三种常用的 MEMS 设计软件 Coventorware、Intellisuite、MEMS pro、Ansys 28. 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) 各向异性湿法腐蚀 主要原理：硅湿法腐蚀技术采用液态化学腐蚀液去除材料，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：不需要衬底与腐蚀液接触，简化了衬底的清洗步骤；所需的温 度较低。 3) 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。 4) 各向同性湿法腐蚀 5) 气相刻蚀 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。 29. 列举 DRIE(深反应离子刻蚀)可实现的三种 MEMS 结构 微针、梳指状结构、刻硅槽 30. 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:在制造时， 首先在硅片上沉积一层牺牲层。 通过光刻确定牺牲层的外形并使其图形化， 随后沉积并图形化结构层。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起可靠空间定位作用。牺牲层后来被选择地去除以释