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(pN·m)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：PPT160~173，书p79~p83