第4章__MEMS设计中的尺度效应.

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MEMS设计流程

MEMS设计流程MEMS，即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems），是一种结合了微纳尺度机械、电子、光学和化学等多学科的综合技术。

它用微米级别的结构制造出具有机械、电气和光学等特性的微尺度器件，广泛应用于传感器、执行器、生物医学、通信等领域。

而MEMS的设计流程是指在设计MEMS器件时所需要进行的一系列步骤。

本文将详细介绍MEMS设计流程。

1.需求分析：在这一阶段，首先需要明确MEMS器件的使用环境、工作参数和性能指标等需求，包括温度范围、压力范围、灵敏度、响应时间等。

然后根据需求制定设计目标，并进行可行性分析以确定是否可以通过MEMS技术实现。

2.概念设计：在这一阶段，需要进行前期的整体概念设计，包括器件结构、布局和组成部分的选择等。

通过综合考虑机械、电子、光学和化学等方面的效应，选择适合的工作原理和结构，确定设计的初步方案。

3.详细设计：在这一阶段，需要对概念设计进行详细的设计和优化。

包括结构和材料的选择、尺寸设计、布线设计、控制电路设计等。

在设计过程中需要考虑到制造工艺的可行性和性能优化的权衡。

4.模拟仿真：在这一阶段，需要利用CAD工具对设计进行三维建模，并通过有限元分析等仿真手段对器件性能进行评估。

通过仿真可以预测器件的结构、电气和机械等性能，并进一步优化设计方案。

5.加工制造：在这一阶段，需要选择适合的MEMS制造工艺，并进行样品的加工制造。

MEMS制造工艺包括光刻、薄膜沉积、腐蚀、离子刻蚀、包封和封装等步骤。

制造过程需要严格控制参数和工艺，确保器件的可靠性和稳定性。

6.测试验证：在这一阶段，需要对加工制造好的器件进行测试验证。

包括静态测试和动态测试。

静态测试包括器件的结构、电气和机械等性能的测试；动态测试包括器件在各种工作状态下的性能测试和可靠性测试。

通过测试可以验证设计的正确性和可靠性，并进行必要的调整和优化。

综上所述，MEMS的设计流程是一个从需求分析到测试验证的连续过程，需要经过需求分析、概念设计、详细设计、模拟仿真、加工制造和测试验证等多个阶段。

MEMS器件的计算机辅助设计方法和仿真研究

MEMS器件的计算机辅助设计方法和仿真研究【摘要】MEMS技术的进一步发展依赖于MEMS器件计算机辅助设计的发展和水平的提高。

系统级仿真和多能量场耦合是MEMS器件计算机辅助设计的核心环节。

提出了一种MEMS器件设计的参考方法，并对系统级仿真这一难点做了深入阐述。

关键词MEMS CAD 系统级仿真多能量场耦合1 引言MEMS作为一个新兴的强大的科学领域，虽然近年来取得了飞速的发展，但是相应的设计方法的发展却没有跟上时代的脚步。

尽管MEMS技术有微电子技术作支撑，而且通常使用IC平面制造技术，但它必须进行微机械所特有的三维加工，而且要求与集成电路工艺兼容，要完全解决好这一问题有一定的难度。

此外，MEMS 器件及系统的设计加工与传统的设计加工不同。

传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法。

MEMS系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，是一种自上而下的方法。

因此要采用新观念，站在系统高度来设计加工。

鉴于此，建立一套专门的适用的计算机辅助设计、分析和仿真的方法势在必行。

MEMS器件设计软件的发展始于2O世纪8O年代，许多商业机构和大学认识到MEMS CAD软件的重要性，纷纷投入大量的人力物力进行这方面的研究工作。

目前已经开发一些商用MEMS软件，这些系统对促进MEMS 的研究进展使之从实验室走向工业化起了很大的作用。

表1：主要几个典型的MEMS CAD软件软件名称开发单位特点CoventorWare Coventor公司功能最强、规模最大的MEMS专用软件，拥有几十个专业模块，功能包含MEMS器件设计、工艺和仿真。

MEMCAD MIT和 Microcosm公司功能比较齐全，可对设计制造全过程仿真。

还有一个流体分析模块，可对微泵，微阀进行分析。

IntelliCAD IntelliSense公司主要进行机_电_热的分析，在工艺仿真方面有大的灵活性，一个流体分析模块正在测试中。

微机电系统习题及参考答案

第1、2xx习题及参考答案1．MEMS的设计涉及那些学科？简述MEMS的设计方法及特点。

MEMS综合了机、电、磁、光、声、热、液、气、生物、化学与多种学科而构成了一门独立的交叉学科。

它研究多种学科各自的特征参量相互之间的耦合关系，应用这些物理联系和耦合关系去分析和解决MEMS设计与制造中的问题。

MEMS研究多种学科各自的特征参量相互之间的耦合关系，应用这些物理联系和耦合关系去分析和解决MEMS设计与制造中的问题。

因此，在MEMS的设计中必须考虑系统设计方法，信息流程设计方法，建立统一物理特征参量设计方法。

1.MEMS设计与制造的研究和分析，MEMS产品分成系统，子系统、元件（元素）三个层次。

2.信息流程是指MEMS产品中各种信息或物理量传递的次序关系，这种传递关系是以程序形式表达的。

3.建立统一的物理特征参量，应该对所需设计对象涉及的各种物理特征参量都相对参照于同一概念的物理特征参量,即相对于系统能量变化而确定。

这样系统内各子系统和元件（元素）的物理特征都可以用相同的物理特征参量描述。

2．工程系统设计通常有几种方法？其主要思路是什么？试举例说明。

工程系统设计通常有:1.K.J法。

K.J法是由底向上处理大量数据之间关系的一种假设。

K．Jxx思路步骤：（1）标签制作：收集有关问题的所有事实和信息，并且在单个标签上或者纸片上书写每个事实。

（2）标签归类：对所有的标签进行分组，并仔细阅读。

相同属性的标签归在一起，不同属性的个别标签（孤独的狼）放在后面。

对每一组标签给定合适的名称，并把它放在面上。

在更高的水平上重复以及处理孤狼。

重复上述迭代过程，以及归类的类型数少于10个。

（3）范围制作：在恰当的空间图样内，仔细布阵最后确定的标签组，给出标签组结构总的了解，用符号描述标签组之间的关系。

对纸上图表进行转移排列，以同样的做法处理布阵子标签组。

（4）说明：用简短动词说明，构筑问题的一般情况，依据简图的事实内容，试图用文字表达、描述简图，并仔细区别个性说明。

MEMS复习题(附参考答案)

08’MEMS复习题1.MEMS的概念，MEMS产品应用。

MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）是指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能形结合的综合集成系统，采用微型结构（集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源），使之能在极小的空间内达到智能化的功效。

MEMS 是Micro Electro Mechanincal System 的缩写，即微机电系统，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。

微机电系统（MEMS）主要特点在于：（1）体积小、精度高、质量轻;(2)性能稳定、可靠性高；（3）能耗低，灵敏度和工作效率高；（4）多功能及智能化;（5）可以实现低成本大批量生产。

民用：MEMS对航空、航天、兵器、水下、汽车、信息、环境、生物工程、医疗等领域的发展正在产生重大影响，将使许多工业产品发生质的变化和飞跃。

军用：精确化、轻量化、低能耗是武器装备的主要发展趋势，这些特点均需以微型化为基础。

微型化的单元部件广泛应用于飞行器的导航和制导系统、通信设备、大气数据计算机、发动机监测与控制、“智能蒙皮”结构和灵巧武器中。

由硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置已用于近程导弹，并显著提高导弹的精确打击能力。

微型化技术在武器装备上的另一个重要发展是微小型武器，如微型飞行器、微小型水下无人潜水器、微小型机器人和微小型侦察传感器等。

具体应用：打印机喷嘴——用于打印机；微加速度计和角速度计——应用于汽车安全气囊；微加工压力传感器——用于进气管绝对压力传感器；由硅微振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置——用于军品中的近程导弹。

2.湿法刻蚀和干法刻蚀的概念，两者异同点以及在MEMS中的应用。

MEMS的设计

非线性分析——考虑材料和几何、边界和单元的非线性因素，当材料在达到初始屈服极限时，往往还有很大潜力，采用非线性分析会得到有效的结果热传导分析——计算出结构内的热分布状况流体/固体耦合分析——解决流体和结构之间的互相作用效应，NASTRAN拥有流/固体耦合法、非弹性流体单元法、虚质量法等方法空气动力弹性及颤振分析——气动、惯性及结构力间的相互作用，NASTRAN可作静态和动态气弹响应分析、颤振分析及气弹优化。
时间T
l 2 l F F=[l ] 3 l 4 l
1
a=F/M
l1 l 2 2 1 l 3 l F 3 1 F 3 a [l ][l ] [l ][l ] 3 [l ] 0 l l 4 1 l l
3、ANSYS、NASTRAN程序简介
(1)ANSYS在MEMS设计中的应用
模块——结构、电磁、热传导、声学、流体动力学等
多物理场耦合问题
•直接耦合方法——受到耦合许可的限制 •序贯耦合方法——对一个物理场进行分析后，将结果输入到随后的另一个物理分析中，只要非线性程度不高，序贯耦合分析是有效的
1、MEMS的CAD
三、 MEMS的CAD与仿真
目的：设计阶段比较方案，检验掩模/工艺可行性
特点： 1.微小结构尺寸
•尺度效应对工作机理的影响 •晶体内部结构对材料性质的影响
2.MEMS制造工艺
•工艺可能改变材料机械/电性质 •与微电子联系紧密
3.多能量域耦合
•要求知识学科跨度大 •建模、分析难度大 •计算量大
静力分析——与时间无关（或可忽略）的静力载荷（如集中/分布静力、温度载荷、强制位移、惯性力等）下的响应，并得出所需节点位移、节点力、约束（反）力、单元内力、单元应力和应变能等动力学分析——瞬态响应、振动模态、冲击谱、动力灵敏度、声学分析等。阻尼类型、动力定义方式类型决定其分析能力。屈曲分析（稳定性分析）——确定结构失稳临界载荷

第4章__MEMS设计中的尺度效应

法向力分量Fd∝l2
沿宽度方向的力分量FW∝l2 沿长度方向的力分量FL∝l2 即，静电力在三个方向上减小(10)2=100倍
4.电磁力的尺度

本节主要介绍电磁力的尺度问题，解释为什么大部分的微马达和致动器都采用静电驱动，尽管在大多数宏观机器中主要采用电磁力驱动。原因：电磁力不象静电力那样容易按比例缩小微器件中没有足够的空间容纳一定的线圈来产生足够的驱动磁场
例题4-2
当MEMS器件减小10倍时，计算加速度a，时间 t和驱动能源的相应变化。
解：已知重量： W∝ l 3 意味表4.1中的三阶。从表格中可得：
1）加速度没有减小(l0)
2）完成运动的时间减小(l)0.5=(10)0.5=3.16 3 ）功率密度将减小 (l)0.5=3.16 。功耗的减小为 P=3.16V0 。由于器件的体积减小 10 倍，在尺寸缩小后功耗将减小P=3.16/10=0.3倍。

当d≈10μm时，电压的变化改变方向
当d>10μm时，随间隙增加电压成线性增加
当工作范围d>10μm时，可知所加的电压V∝d， ε0、εr∝l 0 。可把式中静电势能的尺度表达为
(l 0 )(l 0 )(l 1 )(l 1 )(l 1 ) 2 3 U ( l ) 1 l
(2)研究静电力的尺度规律
从物理规律得出电的尺度规律：

电阻：
ρ、L和A分别是电阻率、长度和导体的横截面积

电阻功率损失：
其中 V是所加电压∝(l)0

电场能：其中 ε为电介质的介电系数∝(l)0 E是电场强度∝(l)-1

由电阻功率损失的表达式可知，由于材料的电阻引起的功率损失服从一阶定律，即P∝l1 对一个带有电源的系统，可获得的电源与系统的体积直接有关，即Eav∝(l)3 功率损失与可用能量的比率为

微电子机械系统MEMS设计与制造考核试卷

7. 3D打印技术可以用于MEMS器件的快速原型制作。（√）
8.在所有的应用场景中，MEMS器件的尺寸越小越好。（×）
9. MEMS技术在生物医学领域的应用前景非常广阔。（√）
10.所有MEMS器件都可以采用硅微加工技术制造。（×）
五、主观题（本题共4小题，每题10分，共40分）
1.请简述MEMS技术的定义及其主要特点，并举例说明MEMS器件在日常生活中的应用。
A.微型加速度计
B.微型麦克风
C.微型太阳能电池
D.微型温度传感器
2. MEMS的全称是？()
A. Micro Electrical Machine System
B. Micro Electronic Machine System
C. Micro Electro Mechanical System
D. Micro Engineered Mechanical System
A.硅
B.玻璃
C.铝
D.钨
6. MEMS设计流程中，哪些环节是必要的？()
A.设计与仿真
B.原型制作
C.测试与优化
D.市场调研
7.以下哪些技术可以用于MEMS器件的封装？()
A.金线键合
B.铝线键合
C.焊接
D.粘接
8. MEMS器件的测试主要包括哪些方面？()
A.电学性能测试
B.机械性能测试
C.环境适应性测试
A.加速度计
B.心率传感器
C.温度传感器
D. GPS模块
13.提高MEMS器件耐磨性的方法包括以下哪些？()
A.硅化物涂层
B.氧化物涂层
C.纳米材料涂层
D.防腐蚀涂层
14.以下哪些是MEMS技术面临的主要挑战？()

MEMS系统设计基本理论及设计关键技术

MEMS系统设计基本理论及设计关键技术汽车传感器设计是汽车生产较为重要环节，对于汽车的整体性能的提高有着直接的影响。

随着社会的快速发展，对汽车传感器的性价比也提出了更高的要求，从设计的理念、原则等角度出发，对设计技术进行更好的优化成为发展的关键。

因此，加强对MEMS汽车传感器设计关键技术的研究具有很大的现实意义，发现当前技术中存在的不足，提出针对性的指导建议，在保证传感器性能满足要求的同时，降低生产陈本，取得更好的竞争优势。

1 MEMS系统设计基本理论1.1 MEMS设计技术MEMS设计技术的综合性是比较强，涵盖各个方面的内容，不仅需要有相应的概念设计作为指导，还需要相应的计算机提供服务，从而对数据进行更好的分析。

MEMS产品设计的后续加工与测试工作的进行也在设计技术涵盖的范围之内，设计技术对整体的产品性能发挥着关键性的作用。

相较于加工技术，MEMS设计技术有着更高的要求，其辅助机械与技术是非常重要的，尤其是计算机辅助设计的应用。

MEMS设计技术在当前的发展中更为趋向于自动化、智能化，满足时代多元化发展的需求，提高产品设计的效率，更好的拓展市场，也实现产品设计的实用性。

1.2 MEMS设计方法设计方法是设计工作的基础，其不仅是设计理念的充分体现，也是对设计行为的基本规范。

MEMS设计技术的重点主要体现非电信号与电信号、电能与机械能等能量之间的转换，对MEMS系统设计有着较大的影响。

MEMS设计方法主要有三种，一是有限元FEM，另一个是边界元BEM，有限差分也是数值分析方法之一。

系统级设计、器件级设计、工艺级设计是不同的设计手段要求，其难度层次逐级递减。

首先，系统级设计的整体性是比较强的，需要综合各个方面的内容进行分析，数值分析法在其中的应用具有一定的局限性，其设计方法的优化更加趋向于简单动态模型的构建，减少了MEMS设计技术中多种能量之间的转换。

器件级设计是较为单一的，有着针对性的。

嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应

DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.04.008嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应邱云龙，胡文杰，吴昌聚，陈伟芳(浙江大学航空航天学院，浙江杭州 310027)摘要：通过实验测试结合理论分析，研究嵌入式微通道冷却系统的传热特性及局部热点的尺度效应. 测试芯片加工采用MEMS 工艺，微通道层与顶层之间的连接采用硅硅直接键合，芯片与电路板（PCB ）之间的连接采用倒装焊接. 研究结果表明，采用嵌入式微通道设计极大地缩短了微芯片到微通道的导热距离，可以显著地减小微芯片到环境的热阻. 根据测试结果可知，在100 W/cm 2均匀热流密度的条件下，使用6.84 mW/cm 2的泵功，可以将模拟IC 热源的温升控制到小于40 K ，能效比超过14 000. 在非均匀热流密度的条件下，局部热点的存在会增大导热热阻在总热阻中的占比，局部热点尺度越小，热点附近的侧向热传导越严重，导热热阻越大，这减小了对流换热热阻在热点区域总热阻中的占比，使得增大对流换热系数带来的总热阻降低效果减弱.关键词：芯片冷却；微通道；MEMS ；局部热点；热阻；对流换热中图分类号： TN 30 文献标志码： A 文章编号： 1008−973X （2021）04−0665−10Heat transfer performance and scale effect of hot spots inembedded microchannel cooling systemQIU Yun-long, HU Wen-jie, WU Chang-ju, CHEN Wei-fang(School of Aeronautics and Astronautics , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China )Abstract: An experimental and theoretical study was presented to analyze the heat transfer performance and thescale effect of hot spots in embedded microchannel liquid cooling system. MEMS micromachining was used to fabricate the test chip, silicon-to-silicon direct bonding was used to bond the microchannel layer to the silicon cover,and Flip-chip bonding was used to bond the test chip to a printed circuit board. Results show that the embedded-microchannel design greatly reduces the thermal conduction distance from the microchip to the microchannel,resulting in a low thermal resistance from the microchip to environment. The test results show that the temperature rise of the simulated IC under a uniform heat flux of 100 W/cm 2 can be controlled within 40 K using only 6.84 mW/cm 2 of pumping power with a coefficient of performance exceeding 14 000. The existence of hot spots increases the proportion of the heat conduction resistance in the total thermal resistance of the hot spot area under a non-uniform heat flux. The smaller the size of the hot spot area was, the more serious the lateral heat conduction was and the thermal conduction resistance became larger, which indirectly reduced the proportion of the heat convection resistance in the total thermal resistance of the hot spot area. Then the benefit of increasing the convective heat transfer coefficient on decreasing the total thermal resistance of the hot spot area was decreased.Key words: chip cooling; microchannel; MEMS; hot spot; thermal resistance; heat convection随着工艺的不断进步，电子设备的集成度变得越来越高[1-4]. 在芯片性能持续增长的同时，芯片的散热问题变得更严峻. 下一代电子芯片的平均热流密度预计将达到150 W/cm 2，局部热点的热流密度更是将达到平均热流密度的一个量级以上[5-6].近年来，嵌入式微通道液冷技术凭借其极高的能效比和冷却效率，受到了广泛关注[7-10]. 该技术通过刻蚀等手段直接将微通道加工在芯片的背面，收稿日期：2020−09−15. 网址：/eng/article/2021/1008-973X/202104008.shtml 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575487）；国家自然科学基金重大科研仪器研制项目（6162790014）.作者简介：邱云龙（1992—），男，博士生，从事微电子冷却与微流控技术的研究. /0000-0002-2873-743X.E-mail ：***************.cn通信联系人：吴昌聚，男，副教授. /0000-0002-7423-3371. E-mail ：*****************.cn第 55 卷第 4 期 2021 年 4 月浙江大学学报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.55 No.4Apr. 2021将传统分离式液冷技术的热传输过程从IC-TIM-封装外壳-TIM-微通道-流体简化为IC-微通道-流体，因此可以极大地降低从IC到微通道的导热热阻，从而显著地增强芯片的散热能力.由于芯片很薄，微通道层的横向热传导热阻较大，这使得芯片的局部热点问题变得更显著. 目前，芯片局部热点的冷却方法主要有2种：基于半导体制冷的主动式热点降温、基于微通道结构优化的被动式热点降温.基于半导体制冷的主动式热点降温技术是通过在芯片或封装内集成热电材料，通过减小导热热阻抑制局部热点区域的温升. Hao等[11]通过热电制冷，将直径为0.5 mm、热流密度为600 W/cm2的圆形局部热点区域的温升从13.9 K降低至3.2 K. Wang等[12]研究发现，TEC的接触热阻对TEC热点降温效果的影响较大. Manno等[13]研究发现，TEC 的热点降温效果随着SiC基底厚度的减薄而逐渐提高.基于微通道结构优化的被动式热点降温技术是通过提高局部对流换热系数或者增大对流换热面积等方式，以减小对流换热热阻的方式降低局部热点区域的温升. Lee等[14-15]设计斜向微肋片结构，通过调节增大热点区域的微肋片密度，可以有效地降低芯片局部热点区域的温升. Sharma等[16-17]研究优化微通道流动入口对芯片局部热点区域的冷却效果. Nasr等[18]根据两相流的散热均匀性，研究微通道两相流技术的热点冷却效果. Waddell 等[19]研究射流技术在局部热点冷却中的应用，研究结果表明，局部的对流换热系数提高了约495%.综上所述，通过主动或被动方式降低导热热阻或对流热阻均能够在一定程度上抑制局部热点区域的温升，现有的研究大多是从实现方式的角度研究各种可以用于电子芯片局部热点冷却的技术手段，缺乏导热热阻和对流热阻对芯片局部热点温升情况影响性的相关研究. 在缺少理论指导的情况下，若在导热热阻占比相对较大的局部热点区域盲目使用基于对流换热增强的局部热点冷却技术，则会出现降温效果差且功耗浪费严重的情况. 为了给芯片局部热点区域的热设计工作提供理论指导，基于MEMS工艺设计带有多尺度局部热点的嵌入式微通道冷却芯片. 通过实验测试结合理论分析的方式，研究芯片局部热点尺度变化对热点区域附近热传输过程的影响，得到不同尺度局部热点温升情况的主要影响因素.1 实验系统与实验步骤1.1 实验系统如图1所示，实验系统由恒温水槽、T型过滤器、齿轮泵、齿轮流量计、测试芯片及数据采集系统6部分组成，冷却介质为去离子水. 其中，恒温水槽的温度保持为298.15 K，温度波动率小于0.05 K. T型过滤器安装在齿轮泵之前，以防止杂质进入泵体损坏齿轮，过滤精度为15 µm. 在测试芯片的出、入口各布置测温口和测压口，用于测量冷却工质流经测试芯片前、后的温升与压降. 测温口安装在测压口外侧，目的是防止安装热电偶引起的额外压降对压降测量产生影响. 组装完成后，在测试芯片的表面涂覆一层环氧树脂，用于减少芯片外表面自然对流换热引起的热量损失.25 ℃恒温水槽过滤器齿轮泵流量计计算机采集卡测温口测温芯片图 1 实验系统示意图与测试芯片实物照片Fig.1 Schematic diagram and photo of experimental setup1.2 测试芯片测试芯片长度为23 mm，宽度为14 mm，共包含4层，从下到上依次是厚度为20 nm/200 nm的Ti/Pt电极层、厚度为0.2 mm的硅基底、厚度为0.3 mm的微通道层和厚度为0.5 mm的硅顶层.如图2所示为Ti/Pt电极层的结构及其与微通道覆盖区域（蓝框）的相对位置. 测试芯片共含有2个型号，2个型号的微通道层结构完全相同. 微666浙江大学学报（工学版）第 55 卷通道层的长度为14.4 mm ，宽度为6.6 mm ，共包含11条平行的矩形微通道，每条微通道的宽度和相邻微通道的间隔均为0.3 mm. 详细的微通道层结构图可以参考笔者等[20]前期的相关工作.如图2所示，Ti/Pt 电极层共包含6个大型加热/测温电阻和7个小型加热/测温电阻. 1号芯片主要用于研究大尺度局部热点（LHS ）的传热特性，在1号芯片中，6个大型金属薄膜电阻的尺寸完全相同，长度为4.6 mm ，宽度为2.9 mm ，流向间隔为0.3 mm ，横向间隔为0.8 mm ，沿微通道流动方向依次命名为A 、B 、C ；在侧向上使用后缀1和2加以区分. 大型电阻具有以下3方面的作用：1）提供50~100 W/cm 2的背景热流密度，用于模拟IC 芯片的整体发热；2）通过调节单个大型电阻的输入热流密度，可以模拟大尺度局部热点对IC 散热的影响；3）根据温度-电阻标定关系，可以通过测量各个大型电阻的阻值，计算大型电阻覆盖区域的温度. 7个小型金属薄膜电阻位于微通道阵列中心，沿微通道流动方向依次命名为S 1, S 2, ······, S 7.小型电阻的长度为0.345 mm ，宽度为0.3 mm ，间隔为1.815 mm ，默认情况下不进行加热. 小型电阻有以下2方面的作用：1）通过调节单个小型电阻的输入热流密度，可以模拟小尺度局部热点（SHS ）对IC 散热的影响；2）根据温度-电阻标定关系，可以通过测量各个小型电阻的阻值，计算小型电阻覆盖区域在均匀热流密度或局部过热情形下的温度. 如图2所示，在1号芯片中，小尺度局部热点位于微通道底部；在2号芯片中，小尺度局部热点位于微肋片底部，通过比较两者在相同工况下的温升差异，可以得到小尺度局部热点与微通道的相对位置对传热特性的影响.局部热点的尺度效应主要体现在以下2个方面：热传导和热对流. 在热传导方面，随着局部热点尺度的减小，局部热点区域向周围区域的侧向热传导逐渐增强，导致导热热阻在总热阻中的占比增大；在对流换热方面，当局部热点尺度远远大于微通道特征长度时，微通道的局部对流换热性能差异可以忽略，当局部热点尺度与微通道特征长度相当时，微通道局部的对流换热性能差异不可忽略.测试芯片的工艺流程如图3所示.1）步骤1）~4）：使用干法刻蚀，在0.5 mm 厚的硅片A 上加工出深度为0.3 mm 的微通道阵列.2）步骤5）：使用激光打孔，在硅片B 上加工出直径为2 mm 的出、入水口.3）步骤6）：使用高温熔融技术，实现硅片A 与硅片B 的直接键合.4）步骤7）、8）：在键合片背面使用热氧化与PECVD ，制作50 nm/500 nm 厚的二氧化硅/氮化硅绝缘层.5）步骤9）~13）：使用磁控溅射与离子束刻蚀，在绝缘层上加工20 nm/200 nm 的Ti/Pt 电极.6）步骤14）：使用倒装焊接技术，实现芯片与PCB 之间的电路连接.图4给出微通道阵列的SEM 照片. 可知，微通道阵列的加工质量较好，表面较平整、光滑，微通道侧壁面与微通道底面的垂直度较高，这在较大程度上减小了加工误差对实验结果的影响.1.3 参数定义在定义传热参数前，评估由PCB 板导热和芯片外表面自然对流换热导致的加热功率损失. 流体吸收的总功率q e 可以通过芯片出入口流体的6.62.94.64.62.66.6流动方向1 号芯片2 号芯片1 号芯片小型电阻与微通道的相对位置说明2 号芯片从左到右依次为 S 1, S 2, ……, S 70.30.345A 1A 2B 1B 2C 1C 214.4单位: mm图 2 Ti/Pt 电极层的结构图Fig.2 Structure of thin-film Ti/Pt resistance第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.667能量守恒关系计算得到：∑q i ∑q i式中：ρ为流体的密度；c p 为流体的比定压热容；q V 为冷却介质的体积流量；T in 和T out 为测试芯片入口和出口处流体的平均温度，在实验过程中将来流温度和环境温度均控制为298.15 K. 比较总输入电功率与q e 可以发现，两者的差异小于1.3%. 考虑到热损功率很小而分布较复杂，为了便于计算，忽略了热损功率的影响，直接采用计算IC-环境总热阻：¯Th 式中：为由大型电阻测量得到的IC 热源面的平均温度，q i 为IC 热源面各电阻的加热功率.θ0由3部分组成，分别是IC-微通道导热热阻θcd 、微通道对流换热热阻θcv和流体温升热阻θf .θcd 的计算式为式中：d 为IC 向微通道导热的等效厚度，由于微通道是四面加热情形，d 取微通道中心到IC 热源面的距离，等于0.35 mm ；k 为单晶硅的热导率，该数据由厂家提供，约为130 W/（m·K ）；A 为微通道的覆盖面积，等于95.04 mm 2.θθ单位面积泵功J 的计算式为式中：P 为芯片出入口的压降.大型电阻和小型电阻的电阻-温度关系由恒温水槽与台式万用表标定得到. 标定时，将测试芯片放入PE密封袋，排出袋内空气，使得芯片紧贴PE 薄膜. 阻值测量采用四线制，当测量得到的Si光刻胶SiO 2Si x N yTi Pt PCB1) 甩胶8) 沉积氮化硅绝缘层 (PECVD)2) 光刻图形化9) 溅射 Ti/Pt 电极3) 深硅刻蚀 (BOSCH 工艺)10) 甩胶4) 释放光刻胶11) 光刻图形化5) 激光打孔12) 电极刻蚀 (离子束刻蚀 IBE)6) 硅硅键合13) 释放光刻胶7) 热氧化14) 倒装焊接图 3 测试芯片的制造流程Fig.3 Fabrication process of test chip(a)200 μm500 μm (b)图 4 微通道阵列的SEM 照片Fig.4 SEM photos of microchannel array668浙江大学学报（工学版）第 55 卷阻值在0.5 h内的变化幅度小于±0.03 Ω时，认为达到稳定. 拟合得到的电阻-温度关系式如下所示.计算结果如表1所示.表 1 各测量参数的不确定度Tab.1 Experimental uncertainties of measurements类别参数不确定度直接测量量冷却介质体积流量±0.5%直接测量量来流（环境）温度±0.2 K直接测量量小型电阻温度±0.42 K直接测量量大型电阻温度±0.45 K直接测量量压降±4.5%（max）间接测量量IC-流体总热阻±5.0%（max）2 结果与讨论2.1 均匀热流密度条件下的传热特性如图5所示为在100 W/cm2均匀热流密度条件下，测试芯片的各热阻分量θi及其在θ0中的占比随q V的变化情况. 如图5（a）所示，采用嵌入式微通道冷却技术极大地减小了IC-环境总热阻，在q V = 72 mL/min的工况下，IC-环境总热阻仅为0.49 W/K，对应的压降和单位面积泵功仅为5.4 kPa 和6.84 mW/cm2. 在IC-环境总热阻中，微通道对流换热热阻占主导地位；其次是流体温升热阻，IC-微通道导热热阻的占比很小. 随着微通道体积流量的提高，微通道对流换热热阻与流体温升热阻同步减小，但观察图5（b）可知，流体温升热阻的减小速度明显快于微通道对流换热热阻，当q V从24 mL/min提高至72 mL/min时，流体温升热阻的占比从35.2%下降至20.4%，微通道对流换热热阻的占比从61.5%提高至74.2%. 由于IC-微通道导热热阻为常数，随着微通道对流换热热阻与流体温升热阻的减小，IC-微通道导热热阻的占比逐渐提升；由于IC-微通道的导热热阻较小，当体积流量从24 mL/min提高至72 mL/min时，IC-微通道导热热阻的占比仅从3.3%提高到了5.5%.2.2 大尺度局部热点的传热特性φuφbφA1φB1φC1如图6所示为在均匀热流密度条件下，当存在大尺度局部热点区域时，模拟IC上各加热区域相对于环境的温升T. 图中，为均匀热流密度，为背景热流密度，、、分别为A1、B1、C1区热流密度. 由图6（a）、（b）可知，当某一加热区域的热流密度从50 W/cm2升高至100 W/cm2时，该热点区域的温度会明显升高. 对于微通道散热结构，微通道中的温度边界层沿流动方向逐渐增厚这一特性使得对流换热性能随流动距离的增加逐渐降低，且流体在沿微通道流动的过程中将吸收来自各个加热区域的热量，使得自身温度不断提高. 在上述2种效应的影响下，热点区域越靠近下游，当地温升越高，越容易引起冷却系统失效.以图6（b）、（d）为例，当局部热点区域位于靠近微通道入口的A1区域时，热点区域的温升约为26.1 K；当局部热点区域位于靠近微通道出口的C1区域时，热点区域的温升高达38.0 K. 上述现象表明，在设计芯片散热系统时，应将微通道的入口区域布置在高热流密度区域.图 5 芯片各热阻分量及其在IC-环境总热阻中的占比随微通道体积流量的变化情况Fig.5 Variations of thermal resistance components and their propor-tion in total IC-ambient thermal resistance with flow rate第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.669在某些应用场景下，如高精密光学系统，除IC-环境温升外，IC 的温度稳定性也是重要指标. 该指标主要关注的是热流密度变化时IC 的温升变化量ΔT . 如图6（f ）所示，当某一加热区域的热流密度突然升高时，周围加热区域将受到不同程度的影响.热点区域下游加热区域的温升变化量ΔT 明显高于热点区域上游及侧向上的加热区域，这主要是因为大尺度热点区域热流密度增长需要的额外功率较高，这部分额外功率会显著地提高流经该热点区域的流体温度，间接地增大了热点区域下游的温升变化量ΔT . 这一现象说明，若IC 中存在多个大尺度局部热点区域，为了降低整体的IC-环境温升和提高IC 的温度稳定性，在设计微通道时应使微通道的流动方向与这些大尺度局部热点区域的分布方向垂直，以防止上游的大尺度局部热点进一步加剧下游大尺度热点区域的温升.如图7所示，比较了均匀热流密度条件下与存在大尺度局部热点时，各个加热区域的当地IC-式中：T h,i 为各加热区域的平均温度；T f,i 为各加热区域对应的微通道区域的流体平均温度，T f,i 采用能量守恒计算得到，具体估算方法为T f,i 是在忽略侧向热传导的前提下推导得到的，因此T f,i 与真实的当地流体平均温度有一定的差异，仅可用作定性分析.在流体温度变化不剧烈的前提下，可以认为当体积流量不变时，微通道对流换热热阻受局部热点的影响可以忽略不计. 由式（9）可知，图7中各个工况下的当地IC-流体热阻变化主要反映LHS 区域热流密度增长对IC-微通道导热热阻的影响.比较图7的前两个柱状图可知，在均匀热流密度的条件下，功耗对IC-环境热阻的影响不大，差异主要来自于流体物性变化引起的雷诺数增长. 通过比较上（A 1-A 2）、中（B 1-B 2）、下（C 1-C 2）加热区域的当地IC-流体热阻可知，位于微通道上游的加热区域的当地IC-流体热阻明显小于微通道中游与下游的加热区域，微通道中游与下游加热区域的当地IC-流体热阻差别不大. 在非均匀热流密度条件下，由于局部热点区域的温度升高，该区域加热功率增长量中的一部分将通过热传导传递至四周，导致周围加热区域的温度升高；当计算加热区域的当地IC-流体热阻时，仅考虑加热区自身的加热功率，因此当存在局部热点区域时，局部热点区域的当地IC-流体热阻减小，周围加热区域的当地IC-流体热阻增大.比较图7中大尺度局部热点区域位于A 1、B 1和C 1区时的当地IC-流体热阻可知，当局部热点位于A 1区时，当地IC-流体热阻的下降幅度（相对于50 W/cm 2均匀热流密度时的数值）约为16.02%，这一数值明显小于局部热点位于B 1区与C 1区时的当地IC-流体热阻下降幅度（20.81%和20.82%）.为了解释上述现象，在图8中建立热点区域热点热流密度增长引起的各区域 IC-环境温升变化量A 1A 2B 1B 2C 1C 2加热区域LHS 位于 A 1LHS 位于 B 1LHS 位于 C 1图 6 q V = 60 mL/min 条件下，大尺度局部热点对模拟芯片温升的影响Fig.6 Effect of large-scale hot spot on temperature rise of simu-lated IC at q V = 60 mL/min670浙江大学学报（工学版）第 55 卷φ的热阻简化模型，用于研究局部热点区域加热功率增长量在侧向上的损失情况. 图中，Δ为局部热点区域热流密度的增长量. 为了便于理论分析，将热点区域与周围区域的导热过程简化为硅基底中心之间的横向热传导，将硅基底在法向上的热传导简化为一维.如图8所示，局部热点位于不同流向位置时的影响性主要体现在以下2个地方. 1）对流换热系数h 1和h 2的变化. 2）侧向热传导温差T c1−T c2的变化. 对于大尺度局部热点，θ3中的距离项x 远大于θcd1、θ2、θ4中的距离项d ，θ4中的面积项A t 远小于θ1、θ2、θ5中面积项A v1和A v2，由此可知，θ4 >> θ1、θ2、θ5. 对于嵌入式微通道冷却系统，如图5所示，由于硅基底的导热性能较好且厚度较小，在特征面积相近的情况下，对流换热热阻远大于导热热阻，即θ3 >> θ1、θ2，θ6 >> θ5. 综合上述分析可知，大尺度局部热点的侧向导热功率在总加热功率中的占比主要由θ3、θ4、θ6对应的传热过程决定，即大尺度局部热点处的当地IC-流体热阻下降情况主要由h 1、h 2及T c1−T c2决定. 当局部热点区域位于上游位置时，h 1较大，T c1−T c2较小，侧向热传导功率在总输入功率增长量中的占比较低，因此由侧向热传导引起的当地IC-流体热阻降低的幅度较小. 当局部热点位于下游位置时，h 2较小，T c1−T c2增大，侧向热传导功率在总输入功率增长量中的占比较高，因此由侧向热传导引起的当地IC-流体热阻降低的幅度较大. 上述分析说明当大尺度局部热点位于A 1区时，尽管对流换热系数较大，但是由于沿传热主路的功率同步增大，当局部热点分别位于A 1、B 1和C 1区时热流密度上升造成的ΔT 之间的差别明显小于均匀热流密度情形下这3个加热区域IC-环境温升T 的差别.2.3 小尺度局部热点的传热特性图9给出在q V = 60 mL/min 的条件下，当小尺度局部热点区域（SHS ）热流密度从0增长至870 W/cm 2时，1号芯片标记区域S 1~S 7的温升变化量. 比较图9、7（f ）可知：1）SHS 对下游区域的影响性小于LHS 对下游区域的影响性；2）当SHS 位于不同位置时，热点区域热流密度变化引起的温升变化量ΔT 之间的差别小于LHS （SHS 最大偏差为5.37%，LHS 最大偏差为13.46%）. 现象1）主要是因为对A 1A 2B 1B 2C 1C 2加热区域φu =50 W/cm 2φu =100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φB 1=100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φC 1=100 W/cm 2φb =50 W/cm 2, φA 1=100 W/cm 2图 7 在q V = 60 mL/min 的条件下，大尺度局部热点对各区域当地IC-流体热阻的影响性Fig.7 Effect of large-scale hot spot on thermal resistance of microchannel heat sink at q V = 60 mL/min对流换热T f, 1, h 1T f, 1, h 1T f, 2, h 2θ3=1/(h 1A v1)θ6=1/(h 2A v2)θ2=d /(2kA v1)θ5=d /(2kA v2)θ1=d /(2kA v1)θ4=x /(2kA t )T c1T c1T c2T s1T s2T c2ΔT ΔT T f, 2, h 2ΔφΔφ侧向热传导传热主路传热支路图 8 热点区域的热阻简化模型Fig.8 Simplified thermal resistance model for hot spot area第 4 期邱云龙, 等：嵌入式微通道传热特性及局部热点尺度效应[J]. 浙江大学学报：工学版,2021, 55(4): 665–674.671于SHS ，尽管热点区域热流密度的增长程度较大，但是由于SHS 面积较小，实际传递给微通道流体的功率较小，流体的温度变化不明显，所以SHS 下游区域受热点区域热流密度变化的影响相对较小. 现象2）的产生过程相对较复杂，具体阐述如下：对于SHS ，x 与d 、A t 与A v1均在同一个量级，θ4显著减小，侧向热传导加强，有相当一部分热量将沿传热支路进入流体. 当侧向热传导功率增大时，局部热点的影响范围扩大，此时A v2 >> A v1（θ5与θ6减小）. 受θ4、θ5、θ6变化的影响，图8中T c1至T f1和T f2的热阻显著减小；θ1在IC-流体热阻中的占比提高，对于小尺度局部热点，由热点位置改变引起的对流换热系数变化对热点区域额外温升的影响相比于大尺度局部热点进一步减小.φSHS 如图10所示为背景热流密度对1号芯片小尺度局部热点（SHS ）温升变化量ΔT 的影响. 图中，为SHS 区域热流密度. 如图10所示，增大背景热流密度会进一步增大SHS 的温升变化量ΔT ，微通道上游区域（S 1、S 2）的增大程度明显小于微通道下游（S 3~S 7）. 结合图8的热阻模型可知，背景热流密度对热点区域的影响性主要体现在图8中θ4右端的温度T c2上；当背景热流密度增大时，T c2增大，θ4两侧的温差减小，因此通过热传导进入传热支路的功率减小，有更多的热量将沿着传热主路进入流体，造成了热点区域ΔT 的增长. 对于靠近微通道入口的S 1、S 2区域，对流换热系数较大，分析图7可知，当热点区域对应的微通道表面的对流换热系数较大时，侧向热传导功率在总输入功率中的占比较小，因此T c2增大引起的侧向热传导功率降低量对传热主路功率的影响较小，即当SHS 位于S 1、S 2区域时，背景热流密度的变化对热点区域额外温升的影响程度较轻.图11描述了小尺度局部热点（SHS ）与微通道之间的相对位置对SHS 区域温升变化量ΔT 的影响. 当SHS 位于微肋片底部时，热点区域到对流换热面的导热距离增加，直接导致在垂向上的导热热阻（图8中θ1、θ2）增大；对于高宽比相近的S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7标记区域热点位于 S 1热点位于 S 2热点位于 S 3热点位于 S 5热点位于 S 6热点位于 S 7热点位于 S4图 9 q V = 60 mL/min 条件下，1号芯片SHS 区域热流增长引起标记区域S 1~S 7的温升变化量ΔT Fig.9 Effect of heat flux increase in SHS area on temperature rise of S 1 to S 7 of No.1 chip at q V = 60 mL/min图 10 q V = 60 mL/min 条件下，1号芯片背景热流密度对小尺度局部热点区域温升变化量ΔT 的影响Fig.10 Effect of background heat flux on SHS temperature rise ofNo.1 chip at q V = 60 mL/min图 11 当背景区域热流密度为50 W/cm 2，SHS 区域热流密度为870 W/cm 2时，小尺度局部热点与微通道相对位置对ΔT 的影响Fig.11 Effect of relative location between SHS and microchannelon SHS temperature rise with background heat flux of 50 W/cm 2 and SHS heat flux of 870 W/cm 2672浙江大学学报（工学版）第 55 卷。

尺寸效应

小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。

例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。

再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

1. 特殊的光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。

事实上，所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。

尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。

利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。

由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。

例如，纳米铁粉，因具有了吸光性，而变成了黑色；它甚至于一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。

利用光学特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。

也有可能应用于红外敏感原件、红外隐身技术（纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破）等。

利用红外隐身技术的案例：案例：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。

1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F－117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事目标没有这种设施，损失惨重。

红外光吸收：纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其复合材料对人体红外有强烈吸收，可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒。

《微尺度模型气体流动机理》

《微尺度模型气体流动机理》篇一一、引言在物理学和工程学领域，微尺度模型气体流动机理的研究具有重要价值。

随着纳米技术和微电子机械系统（MEMS）的快速发展，对微尺度气体流动的理解和控制变得越来越关键。

微尺度下的气体流动不同于宏观尺度，其流动特性、传热传质以及相互作用机制均有所不同。

因此，本文旨在探讨微尺度模型气体流动的机理，为相关领域的研究和应用提供理论支持。

二、微尺度气体流动的基本特性微尺度气体流动具有以下基本特性：1. 尺度效应：在微尺度下，气体分子的平均自由程与流道尺寸相当，导致气体分子间的碰撞频率增加，流动呈现出明显的尺度效应。

2. 表面效应：微尺度流道内表面的粗糙度、润湿性等因素对气体流动产生显著影响，表面效应不可忽视。

3. 传热传质特性：微尺度下的气体流动往往伴随着传热传质过程，其传热传质特性与宏观尺度有所不同。

三、微尺度模型气体流动的机理微尺度模型气体流动的机理主要包括以下几个方面：1. 分子动力学模型：在微尺度下，气体分子的运动遵循分子动力学原理。

通过建立分子间的相互作用力模型，可以描述气体分子的运动轨迹和碰撞过程，进而分析气体流动的机理。

2. 滑移边界条件：在微尺度流道内，由于分子间的碰撞频率增加，导致气体分子在流道壁面附近的运动受到滑移边界条件的影响。

滑移边界条件的引入可以更准确地描述微尺度气体流动的特性。

3. 传热传质模型：微尺度下的气体流动往往伴随着传热传质过程。

通过建立传热传质模型，可以分析微尺度流道内的温度场、浓度场以及它们对气体流动的影响。

四、微尺度模型气体流动的应用微尺度模型气体流动的应用主要涉及以下几个方面：1. 微电子机械系统（MEMS）：微尺度模型气体流动机理对于MEMS的设计和制造具有重要意义。

例如，在微流体控制、微传感器等领域，需要准确掌握微尺度气体流动的特性和机理。

2. 纳米技术：在纳米技术领域，微尺度模型气体流动机理对于纳米材料的制备、传输和操控具有重要意义。

MEMS设计中的尺度效应

• 在微观领域,与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小,而与特征尺寸的低次方成比例的弹性力、表面张力和静电力的作用显著,表面积与体积之比增大,因而微机械中常常采用静电力作为驱动力。
• 尺寸效应对MEMS的影响：在当前 MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，相应物理量的作用可能发生急剧变化，而且与尺寸不一定成线性关系。
• Trimmer提出一个代表力尺度的矩阵（通称为力尺度向量F ），这个矩阵与描述系统运动尺度的加速度a、时间 t 和功率密度 P/V0 等参数有密切关系。
• 力尺度向量定义为
• 加速度a
根据上式可得
时间t
• 功率密度P/V0 由W＝F×s、P＝W/t得功率密度可表示为
建立功率密度与力尺度矢量的关系为
解：
已知重量： W∝ l 3 意味表4.1中的三阶。从表格中可得：
1）加速度没有减小(l0) 2）完成运动的时间减小(l)0.5=(10)0.5=3.16 3 ）功率密度将减小 (l)0.5=3.16 。功耗的减小为
P=3.16V0。由于器件的体积减小10倍，在尺寸缩小后功耗将减小P=3.16/10=0.3倍。
如图中的粘度表示为
μ为流体的动态粘度 Rs=Vmax/h为剪切速率剪应力τ=Fs/A Fs为剪力。
例题
当圆管的半径减小10倍，应用尺度规律求解其体积流量和压降。并观察此例的结果。
解：由Q∝a4（a为管的直径）得
体积流量减小104＝10000倍由ΔP/L∝a-2得
单位长度压降提高102＝100倍
System parameters will change in relative importance as the system scale is reduced.

微机电系统题目整理

微机电系统题目整理 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】1、M E M S的概念列举三种以上M E M S产品及应用2、微机电系统(MEMS：Micro Electro-Mechanical System)指微型化的器件或器件组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的功能相结台的综合集成系统，采用微型结构(包括集成微电子、微传感器和微执行器；这里“微”是相对于宏观而言)，使之能在极小的空间内达到智能化的功效。

微机电系统主要特点在于：(1)能在极小的空间里实现多种功能；(2)可靠性好、重量小且能耗低；(3)可以实现低成本大批量生产。

主要应用领域、产品：压力传感器、惯性传感器、流体控制、数据存储、显示芯片、生物芯片、微型冷却器、硅材油墨喷嘴、通信等。

3、何谓尺度效应？在MEMS设计中，如何利用尺度效应？当构件缩小到—定尺寸范围时将会出现尺寸效应，即尺寸的减小将引起响应频率、加速度特性以及单位体积功率等—系列性能的变化。

构件特征尺寸L与动力学特性关系如表所示。

不同性质的作用力与尺寸的依赖关系不同，从而在微观研究中所占比重有所不同。

例如，电磁力与尺寸是L2，L3，L4的关系，幂次较高，从而相对影响铰小；而静电力与尺寸是L0，L-2的关系，幂次较低，影响程度较大。

4、湿法刻蚀和干法刻蚀的概念及其在MEMS中的应用5、刻蚀就其形式来说可分为有掩膜刻蚀和无掩膜刻蚀，无掩膜刻蚀较少使用。

有掩膜刻蚀又可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀一般用化学方法，这种方法刻蚀效率高，成本低，但是其刻蚀精度不高，公害产重(用大量的化学试剂)。

干法刻蚀种类很多，有溅射刻蚀、离于铣、反应离子刻蚀和等离子刻蚀等。

干法刻蚀中包括了化学反应和物理效应，因此其刻蚀精度较高，且适用于各种材料，包括半导体、导体和绝缘材料。

刻蚀分为湿法到蚀和干法刻蚀。

它是独立于光刻的重要的一类微细加工技术，但刻蚀技术经常需要曝光技术形成特定的抗蚀剂膜，而光刻之后一般也要靠刻蚀得到基体上的微细图形或结构，所以刻蚀技术经常与光刻技术配对出现。

第4章__MEMS设计中的尺度效应

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。

mems 压阻效应

mems 压阻效应
MEMS压阻效应是指在微电子机械系统中，由于机械结构的微小变化而产生的电阻变化现象。

这种效应是一种常用的微机电系统传感器，被广泛应用于物理测量和微动力学研究领域。

MEMS压阻效应的基本原理是利用机械结构的微小变化来改变电阻，在某些情况下，当其受到应力或力矩作用时，可以通过测量电阻而获
得精确的物理测量结果。

从物理上讲，压阻效应是由于机械应力所改
变的薄膜或细线中的电子运动受到限制，从而改变了电子的电流路径，导致电阻变化。

MEMS压阻传感器通常包含一个敏感部分，它可以通过基板或其他支撑结构与环境相隔离。

当受到外力或压力时，敏感部分的机械结构
将发生微小变化，从而改变电阻。

例如，在压力传感器中，当气体作
用于敏感结构时，敏感结构中的电阻将发生微小变化，这种变化可以
被测量和记录下来，从而获得准确的压力测量值。

MEMS压阻效应还被广泛应用于其他传感器，例如力传感器、加速度计和位移传感器等。

随着微机电系统技术的不断发展，MEMS压阻效
应的精度和灵敏度越来越高，已经成为解决各种物理测量和微机械领
域问题的强大工具。

总之，MEMS压阻效应是一种基于微机械结构的电阻变化现象。

它被广泛应用于物理测量和微动力学研究领域，是一种重要的传感器技术，在未来的发展中具有广阔的应用前景。

微小尺度效应

微小尺度效应微小尺度效应（Small-ScaleEffect）是指，在非常小的尺度里，一些重要的物理现象发生变化，而这种变化大多数时候不会影响整个系统的总体特性。

例如，空气中存在大量的细小颗粒，当颗粒的尺寸变小时，粒度的物理性质会有微小的变化。

在近代物理学和化学学中，微小尺度效应常常作为桥梁，连接许多领域的研究结果，它得以研究团簇结构以及它们之间的相互作用，用于解释细微的物理变化，以及物质的可重组性等。

微小尺度效应有着深远的影响力，在许多物理和化学现象的背后，它都起着重要的作用。

比如，在流体力学方面，微小尺度效应可以解释流体在尺度较小的细胞中的行为，更准确地表示不同参数的关系，并且有助于研究流体力学中的细节特征。

在量子力学中，科学家也发现微小尺度效应的存在，它可以解释由粒子构成的系统如何在很小的尺度发生变化，从而形成许多实际现象，比如量子纠缠、量子统计等。

因此，微小尺度效应在近代物理学和化学学中发挥着重要作用，它不仅深刻影响着整个物理化学领域，也是现代科学技术发展的重要基础。

微小尺度效应的发现，为人类开辟了一条新的微小尺度的物理学和化学学研究之路。

凭借计算机技术和实验技术，科学家可以在微小尺度上进行大量的研究，以便更深入地研究微小尺度的物理活动。

通过分析微小尺度的变化，科学家们可以更加清楚地了解物质之间的相互作用和分子行为，从而开发出更先进的技术。

例如，研究微小尺度效应在液体和气体中的重要作用，为解释不同参数之间的关系以及研究流体力学细节奠定了基础，进而开发新的流体动力学理论，如涡、涡斜卷等理论，使人们更容易控制和改变流体的特性和状态。

另外，研究微小尺度效应也为科学家们开发了能够更好地模拟操纵量子物理系统的工具，有助于控制量子系统的特性，从而催生出更为深奥的量子性质，如量子力学耦合效应以及量子统计力学。

因此，微小尺度效应为近代物理学和化学学研究带来了巨大的收益，可以说它为科学家们提供了一个更加精细的进入点，去深入理解物质的微观世界。

微米尺度加工技术在微机电系统领域中的应用研究

微米尺度加工技术在微机电系统领域中的应用研究随着科学技术的发展，微机电系统领域成为国内外研究热点之一。

微机电系统(MEMS) 是一种高精度、高灵敏度、高可靠性、高复杂性的微电子机械系统。

微米尺度加工技术是MEMS制造的重要技术之一，是一项将微米级别的物质精确加工成所需要的形状、尺寸和表面特性的技术。

本文将围绕微米尺度加工技术在MEMS领域中的应用展开论述。

一、微米尺度加工技术的发展与分类1.1 发展微米尺度加工技术是一项文化程度高、技术含量高的工艺，此前主要用于制造光学器件、精密机械零件等，随着MEMS领域的不断发展，微米尺度加工技术得以在MEMS制造中得到广泛应用。

1.2 分类微米尺度加工技术包括：微影、光刻、离子束刻蚀、化学蚀刻、电化学加工、激光加工等。

其中，微影作为MEMS加工的主要方法，具有加工简单、成本低廉、分辨率高等优点，对待加工对象的材料类型并没有严格限制。

二、微米尺度加工技术在MEMS领域的应用研究2.1 微加工技术在MEMS传感器制造中的应用MEMS传感器是MEMS领域中的一个重要分支，其应用领域广泛。

MEMS传感器大多数是微型结构，微米尺度加工技术的发展不断推动着这些传感器的制造。

微米尺度加工技术可以用于制造压力传感器、温度传感器、加速度传感器、气体传感器、振动传感器等传感器。

相比传统制造工艺，微米尺度加工技术可以制造出更加精细、更加高效的传感器，使得MEMS传感器在各个领域中得到广泛应用。

2.2 微加工技术在MEMS储存器制造中的应用MEMS储存器是一个基于微纳米加工技术的高速存储器，通过微机电系统技术加工出微米级的结构，使其拥有储存数据的能力。

微米尺度加工技术是MEMS储存器制造的关键技术之一，可以在MEMS储存器的芯片上制造出微米级的结构，提高储存器的存储能力和读写速度。

同时，微米尺度加工技术可以制造出更加轻便、更加高效的储存器，这对于现代化的高速数据交换与存储系统而言将具有巨大的推动作用。