微机电系统设计和制造重点

1、第一章 绪论 1.常用的微电子机械系统名称有哪些？其定义是什么？ a.微电子机械系统；b.微机械；c.微系统技术。MEMS微电子机械系统是采用微加工的方法形成的由微小机械和电子机械元件（装置和结构）组成的微系统。特征尺度从0.1微米到几毫米。 一般集成在一个芯片上。包括纳米、微米和毫米尺度的部件。2.MEMS的主要应用领域有哪些？举例说明。 A、MEMS基础研究General MEMS 基础研究理论、应用研究，包括传感器、执行器等。 ；、生物MEMS： BioMEMS ；、光学MEMS：Optical MEMS ；、微流体：Microfluid ；E、RF MEMS 。eg:旋转马达、加速传感

2、器。第二章 1.常用的MEMS材料有哪些？硅材料有哪些？a.半导体材料：硅及其化合物等; b.电致伸缩材料：压电陶瓷、氧化锌、石英等; c.磁致伸缩材料：镍铁合金等; d.形状记忆材料：镍钛合金等;e.金属Al, Au, Cu, W, Ni; f.其它：特殊功能聚合物、复合材料及人工构造薄膜材料、电流变液或磁流变液材料、纳米相材料等。常见硅材料：单晶硅、多晶硅、硅蓝宝石、化合物半导体材料。2.简述硅材料的特性。a、硅在集成电子线路和微电子器件生产中有着广泛的应用，主要是利用硅的机械特性和电学特性。b、特殊的晶体结构使其具有各向异性，通过掺杂获得的p型硅和n型硅具有不同的导电性能和机械性能。3、

3、储量丰富，成本低；材质的内含杂质极少，易于提纯，纯型硅的杂质含量可降至十亿分之一，因而本身的内耗少，力学性能稳定。d、硅材料质量轻，密度是不锈钢的 13.5。e、弯曲强度高，为不锈钢的3.5倍。6、硅的熔点高（1400 ），约为铝的两倍，高熔点使其具有良好的高温稳定性。f、硅的热膨胀系数比钢小8倍，比铝小10倍。g、具有很好的导热性，是不锈钢的5倍。 h、机械品质因数可高达 ，硅没有机械迟滞性能，是理想的传感器和致动器材料。i、与微电子集成电路工艺兼容，易与微机械和微电子线路集成；便于实现批量化生产。 3.单晶硅是如何获得的？ 生产单晶硅盘或“硅片”的步骤如下： 原材料的准备和清理；高纯和多晶

4、硅的生产；单晶硅的生长；单晶硅的机械加工。硅原材料的制取: 原料硅可以由原材料石英砂进行还原而制得。 这一提取过程在用碳作电极的电弧炉中进行，可以得到纯度为98的“冶金级硅4.常用的硅晶圆标准尺寸有哪些？ 100mm(4in)x500m 150mm(6in)x750m 200mm(8in)x1mm300mm(12in)x750m。 5.多晶硅和硅化合物有哪些特点？ 1、具有较宽的工作温度范围（60度300度）； 2、可调的电阻率特性； 3、可调的的温度系数； 4、与单晶硅压阻膜相比，多晶硅压阻膜可以在不同的材料衬底上制作(如在介电体 ),而且可以更有效地抑制温度漂移，有利于长期稳定性的实现。

5、SiO2：热、电的绝缘层；刻蚀时的掩膜；微加工的牺牲层。 SiC：高温下，尺寸和化学性质稳定。制作电子器件。 SiC二极管、镇流器等。 Si3N4：电的绝缘层；抗氧化能力强，用作掩膜；有效地阻挡水和离子的扩散。 6.如何获得N型硅和P型硅？ P型硅是在纯硅材料中加入了硼（B）原子：由于B原子外面带有3个电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生空穴。N型硅是在纯硅材料中加入了砷（As）或磷（P）原子：由于硅原子外面为带有4个电荷，而As或P原子外面带有5个电荷，这样当两种原子结合到一起形成共价键时，产生游离电子。7.简述二氧化硅和氮化硅在微系统中的主要应用。二氧化硅在微系统中的三个主要应

6、用：1、最为电和热的绝缘体；2、最为硅衬底刻蚀的掩膜；3、最为表面微加工的牺牲层。氮化硅：1、能有效阻挡水和离子的扩散2、具有超强抗氧化和抗腐蚀的能力，适于做深层刻蚀的掩膜3、可用作光波导以及防止水和其他有毒流体进入衬底的密封材料4、用作高强度电子绝缘层和离子注入掩膜 8.压电材料及形状记忆合金有哪些特点？压电陶瓷的特点：具有价廉、质轻小巧、易于与基体结合、响应速度快等优点。此外，它对结构的动力学特性的影响很小，并且通过分布排列可实现大规模的结构驱动，因而具有较强的驱动能力和控制作用。由于压电陶瓷具有微小位移且精度高这一突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求，用作压电驱动器是比较理想

7、的。形状记忆合金的特点：形状记忆合金的记忆性随合金材料的不同而不同。最大可恢复应变的记忆上限为15，即形状的变形程度达到原形的的15时，还能“记住”原先的的外形，只要通过加热，形状即可恢复。超过15时，“记忆”将不再现。形状记忆合金的电阻率较大，故常采用电流加热方式。在恢复其“记忆”形状的过程中，形状记忆合金能发出很大的力，适用于制作致动器或驱动器。如微泵、微阀等由于形状记忆合金的动作依靠加热和冷却，因此，形状记忆合金的驱动器的响应时间比压电材料驱动器长，但压电材料最大可恢复应变只有1。形状记忆合金的的最大缺点是要有热源，长期使用会产生蠕变，因此，使用时要注意寿命期限。第三章 1.表面微加工和

8、体微加工的特点是什么？ 表面微加工的特点 ：1、与体微加工和键合相比较，在表面微加工中，硅片本身不被刻蚀。没有孔穿过硅片，硅片背面也无凹坑。比较两者结构尺寸可以看出表面微加工适用于微小结构件的加工，结构尺寸的主要限制因素是加工多晶硅的反应离子刻蚀（RIE）工艺。 2、表面微加工形成的层状结构特点为微器件设计提供了较大的灵活性。在中心轴上加工转子是不可能的，而采用键合又会使工艺变得非常复杂，而表面微加工技术的另一个主要特点是可实现微小可动部件的加工。2.薄膜生长有哪些方法？叙述各类技术的应用特点。薄膜生长方法：化学气相淀积(CVD)、热氧化、物理气相淀积 (PVD )、外延 化学气相淀积（简称为

9、CVD）：是使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 物理气相淀积(PVD)：PVD过程只有物质相态的改变而没有化学反应过程，PVD 可以淀积多种金属和非金属，成本低、稳定性好，但是薄膜质量和台阶覆盖较。3.化学气相淀积有哪几种，特点是什么？ 目前最常用的是常压冷壁（APCVD）、低压热壁（LPCVD） 、等离子（PECVD）激活等三种淀积方法。特点：常压CVD主要用于生长各种Si02；LPCVD主要用于生长多晶硅与氮化硅；PECVD主要用于生长钝化与多层布线介质用的氮化硅与二氧化硅等4.CVD、PVD中文含义是什么？简述PVD的优缺点。

10、CVD :化学气相淀积，PVD：物理汽相淀积PVD优缺点：蒸镀和溅射都是有方向性的；大批量生产，均匀性较好；适用材料范围较广；台阶覆盖性一般；薄膜性能可控；设备较为复杂。5.掺杂技术有哪些？ 掺杂技术：扩散法、离子注入法。6.光刻工艺有哪些步骤？哪道工序是最关键的？ 步骤：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶7个步骤。对位与曝光是光刻工艺中最关键的工序。7.光学曝光有哪几种，有哪些特点？ a 接触式 ：分辨率高，易损坏掩膜图形。 b 接近式 ： 衍射效应使分辨率降低，易保护掩膜图形。 c 投影式 ：分辨率高，掩膜不受损伤，但投影系统光路复杂，成本高。 8.光刻胶有几种，有哪些特点？负性光刻

11、胶：其未感光部分能被适当的溶剂溶除，而感光的部分则留下，所得的图形与光刻掩模图形相反；正性光刻胶：其感光部分能被适当的溶剂溶除而留下未感光的部分，所得的图形与光刻掩模图形相同。9.RIE、DRIE、ICP中文含义是什么？ PE:等离子体腐蚀；RIE：反应离子刻蚀；DRIE:深反应离子刻蚀；ICP：耦合等离子体刻蚀。10. 常用的键合技术有哪些？特点是什么？键合技术：阳极键合；SiSi直接键合；玻璃封接键合；金属共熔键合 ；冷压焊键合。阳极键合特点：具有键合温度较低，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定度高，键合设备简单等优点。SiSi直接键合特点：它比采用阳极键合优越，因为它可以获得SiSi键

12、合界面，实现材料的热膨胀系数、弹性系数等的最佳配比，得到硅一体化结构。其键合强度可达到硅或绝缘体自身的强度量值，且气密性能好；但该法的最大缺点是，要实现高强度的键合，形成稳定的原子键，必须施加很高的键合温度，高的温度很难和硅微电子工艺及材料相适应，因此其应用有一定的局限性。11. 牺牲层工艺中牺牲层的作用是什么？起到分离层的作用第四章 1、什么是微执行器？微执行器：基于MEMS工艺的，能把电信号（电能）磁、热、光、化学等能量转换为机械能或其它形式能量输出的器件，通常由致动元件和传输元件组成。2、静电驱动的主要特点是什么？结构简单：敏感与执行的原理相对简单，容易实现，仅需两个导电表面即可，无需专

13、门的功能材料；功耗低：静电执行依赖于电压差而非电流，低频时有很高的能效，静态时由于不存在电流这一优点尤其明显；响应快：转换速度由充放电时间常数决定，对于良导体这一时间常数很小，所以可以获得很高的动态响应速度； 致动力仍较小、功率小、行程小。3、梳齿结构中静电力有什么特征？ 4、压电驱动的主要特点是什么？可以得到快速的响应，可以得到比较大 的位移量，缺点是制备过程复杂，在低 频工作条件下，性能下降 第五章 1、什么是微传感器？ 微传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可以输出的信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。2、微传感器的一般特性有哪些？输出量（信号）与输入信号的关系。

14、包括静态特性和动态特性。 3、简述压阻、压电和电容敏感原理压组敏感原理：当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化 。电容敏感原理：利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。压电敏感原理：压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。4、力学微传感器有哪些？特点是什么？(1)微

15、压力传感器；压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器，具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点。常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和谐振式微压力传感器 (2)微加速度传感器主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击，压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。 (3)角速度微传感器；原理：角速度一般是用陀螺仪来测量的。传统的陀螺仪的基本部分是一个高速转功的转子，利用角动量守恒的原理来测定角度的变化。角速度微传感器结构特征：由于微机械加工技术难于加工高速转子这样复杂的结构，因此，微机械陀螺的设计采用适宜于用微机械加工的振子结构。微

16、机械陀螺仪结构类型：有框架式、音叉式、振动轮式、振动捧式以及四叶式等多种(4)微麦克风；与传统麦克风相比，硅基微麦克风具有体积小、质量轻、工艺重复性好、抗震性强、能批量生产等特点。微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高，频带宽。 5、超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，声阻抗差的大小与声压反射率和声压透射率的关系是什么？ 超声波垂直入射到平界面时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。声阻抗相差越大，声压反射率越大，声压透射率越低；声阻抗越接近，声压反射率越低，声压透射率越大。6、生物医学超声传感器有哪几类？A型：为幅度显示型或示波型M型：属于亮度调辉运动展开型B型：是一种回波

17、幅度的亮度调制型 7、微机械超声传感器有哪几类？ 压电式微超声传感器、电容式微超声传感器8、电容式微超声传感器有哪些优点？ 不需匹配层、 频率较宽 、易于微加工第六章 1、什么是尺度效应？ 当器件尺寸小到微米或亚微米量级时，工程上常用的尺寸缩放法不适用于由微尺寸元器件组成的微装置；因而，传统的设计理论、方法及一些物理定律不能完全套用，许多理念需要更新和重新建立。这就是所谓的尺度效应2、尺寸(l)减小10倍将会导致和静电力电磁力减小的倍数是多少？ 10²，104 3、当管的半径减小10倍时，单位长度的管压降将减小多少倍？ 1000倍 4、MEMS设计的目的为哪三类？ (1)作为技术探索而设计的组件或系统：一般是为了验证研究者的某种设计思想，测试