第2章 MEMS设计中的尺度效应
电子科技大学 MEMS课件 第一章总结
曾经有人问1996年化学Nobel奖获得者-Rice大学的Richard Smalley，如果重新开始，最希望从事什么领域的研究工作，他不假思索的提出一个预言性的概念：Lilliputian 工程."We're talking about the miniaturization of everything you can imagine," Smalley said. "Eventually, we will be designing tiny devices so that every atom is there for a particular reason.”1.1概念的提出碳纳米管研制，直径约为500nm，能够在电压驱动下转动。
电动机的旋转叶片是一片金叶，长度不到300nm，叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。
2003年世界十大科技进展:纳米电动机2004年世界十大科技进展:分子马达通过光或电的驱动，使分子围绕一个轴旋转，能够停止或暂停。
这一成果将使纳米级“分子机械”能够在一些较大机械无法应用的工业和外科手术中大显身手.2005年世界十大科技进展:找到控制单分子行动的方法利用特种显微镜仪器，让一个分子做出各种动作。
使用金属探针，刺激联苯分子的不同部位，还可以使其产生不同的电子反应。
2006年世界十大科技进展:最小发电机问世纳米发电机。
它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩、血液流动等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。
这是一个结构特殊的分子，它也有四个“轮子”，当接收到电流时就向前“行驶”，不过，它“行驶”的距离要以纳米来计算这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需要的地点。
不过研究人员表示，这还有很长路要走，因为本次实验是在零下200多摄氏度的低温和高度真空环境中完成的，如何在常规环境下也能让分子“电动车”工作是首先要解决的问题。
尺度效应
• 断裂力学 • 损伤力学 • 细观力学 • 纳观力学 • …. • 各种与力学有关的交叉学科等。 －力学学科的发展是以新材料、新的生产工 艺、新的工程应用环境、检测手段以及评 价手段等近代力学性能实验方法的发展为 基础，同时，实验方法反过来又进一步促 进了力学学科的进步与发展。
近代力学性能实验方法
Burt Rutan 公司首次制造出全复合材料飞机，经受了雷电风 暴，创造了不着陆环球飞行的记录； 1987年 美国X29前掠翼飞机试飞成功，增强纤维具有不反射 电磁波，透波无磁性等特点，是一种性能优良的隐身材料； 1988年 美国研制成功B2隐形轰炸机。 目前， 几乎所有的飞机、导弹、火箭和各种航天器都大 量的使用了复合材料。 应用部位：机翼、尾翼和整流罩、卫星天线等，约占结构总 重量的20－40％。
干法：先把纤维铺设成平行的纤维带，加入黏性液态树脂、预热 使树脂成半熔态，制成预浸带，加宽、切割成所需长度铺成层合 板，在热压罐中加热抽出气体及挥发物，树脂再次熔融－直到聚 合物分子彼此交联而开始固化。
湿法：不经过中间半成品预浸带的过程，直接浇注树脂于纤维上， 如火箭的壳体结构，整体固化。 －根据铺设角度不同有单向叠层板、多向叠层板。
如：
欧洲380空中客车，除大梁外，机身、机翼、操作纵面均 采用复合材料，其用量是波音777的2倍，其中，仅机翼就 用了53T（真机翼88T） 随着军用到民用的大面积推广，说明了复合材料成熟程度 大大的提高，从损伤容限的设计、材料的选择、制造计算 的工程化都反映出技术的革命。 ~ 现代复合材料的出现，是自喷气式发动机发明以来最大的 技术革命。 现已经向民用化发展，车辆、船舶、化工、建筑及体育用品 等。
其中11 , 22 , 33 分别垂直于外法线方向为 e1, e2 , e3 的平面， 叫作正应力，另外6个应力 ij (i j)是它们的作用面力，剪 应力。 应变
MEMS设计中的尺度效应
MEMS设计中的尺度效应MEMS（微机电系统）是一种将微观尺度上的机电元件集成到微型芯片中的技术。
在MEMS设计中，尺度效应是一个重要的考虑因素。
尺度效应指的是当材料或结构的尺寸减小到微观尺度时，与宏观尺度相比会出现新的物理现象和行为。
本文将详细介绍MEMS设计中的尺度效应。
尺度效应在MEMS设计中有着广泛的应用。
一方面，尺度效应可以改变材料的力学特性。
例如，当材料尺寸减小到纳米尺度时，材料的力学刚度将会增加。
这是因为在小尺度下，表面效应变得更加重要，原子之间的相互作用力增强。
这种尺度效应在MEMS设计中需要考虑，因为它会直接影响到微弹性体的材料刚度和弹性模量。
另一方面，尺度效应也可以改变材料的电学和热学特性。
当材料尺寸减小到纳米尺度时，电子和热传输会受到限制，从而出现新的效应。
例如，纳米材料的电阻会随着尺寸的减小而增加，导致电流密度增大。
这种尺度效应在MEMS设计中需要考虑，因为它会影响到微电子元件的电性能和热性能。
此外，尺度效应还会改变材料的光学特性。
当材料尺寸减小到纳米尺度时，光在材料中的传播方式会发生变化。
例如，纳米颗粒会显示出新的光学性质，如表面等离子共振。
这种尺度效应在MEMS设计中需要考虑，因为它可以用于各种光学传感器和光学器件。
在MEMS设计中考虑尺度效应是非常重要的，因为它可以提供新的功能和性能。
例如，利用尺度效应改变材料的力学特性可以设计出更加敏感的力传感器和加速度计。
利用尺度效应改变材料的电学特性可以设计出更小、更快速的微电子器件。
利用尺度效应改变材料的光学特性可以设计出更高灵敏度的光学传感器和光学开关。
尺度效应还可以帮助设计出更稳定和可靠的MEMS器件。
由于尺度效应会改变材料的性质，因此可以利用它来减少MEMS器件的热漂移和机械失配问题。
例如，通过选择尺寸合适的材料，可以使MEMS器件在温度变化或振动环境下保持稳定的性能。
然而，尺度效应也会带来一些挑战。
首先，由于材料尺寸的减小，制造和测试过程变得更加困难。
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。
多尺度有限单元法
多尺度有限单元法
多尺度有限元方法（Multiscale Finite Element Method，简称MFEM）是一种用于处理多尺度问题的数值方法。
在许多科学和工程领域，如材料科学、地球科学、生物医学工程和电子设备制造等领域，都存在着多尺度问题。
这些问题通常涉及到不同尺度上的物理现象，例如在微观尺度上存在着各向异性、非线性和不均匀性等现象，而在宏观尺度上则表现出不同的宏观行为。
MFEM方法通过将多尺度问题分解为一个宏观尺度问题和多个微观尺度问题来解决这些问题。
在MFEM方法中，微观尺度问题通过使用局部的有限元法来解决，而宏观尺度问题则通过使用全局的有限元法来解决。
微观尺度问题和宏观尺度问题之间通过一个耦合条件来联系起来，这个耦合条件通常基于适当的均衡条件和连续性条件。
MFEM方法具有许多优点，例如可以处理非线性、非均匀和多尺度问题，并且能够更精确地描述微观尺度上的行为。
然而，MFEM方法的主要缺点是计算成本较高，因为需要解决多个微观尺度问题。
因此，MFEM方法通常用于需要高精度解的问题，例如在材料科学领域中的强化学习问题和微观材料建模问题中。
1/ 1。
微机电系统MEMS设计基础
l1
F=[lF
]
l
2
l3
时间T
l
4
a=F/M
l1
l 2
a
[l
F
][l3 ]1
[l F
][l 3 ]
l 2
[l 3 ]
l 1
l3
l0
l
4
l1
T
2 SM F
([l][l3][l F
]1
)
1 2
[l2 ][l F
]
1 2
l
1 2
l1 l 1.5
[l2
]=
l2
l1.5
微反射镜移动或转动
微镜
Torsion Hinges Mirror
2nd DOF
Support Structure
Substrate Hinges
1st DOF
Force-redirecting Linkage
2、刚体动力学中的尺度效应 3、静电力中的尺度效应 4、电磁场中的尺度效应 5、电学中的尺度效应 6、流体力学中的尺度效应 …………
U= dU= edQ
产生的电磁力将会改变磁场中导体的相对位移，可 得到这些力的表达式
F U
x
常量
F U
x
i 常量
如果考虑恒定电流流动情况即产生的电磁力为
F 1 i2 L 2 x
上式电流i与导体的横截面积有关，既 i , l2
U x
是无量纲的，因此电磁力的尺度为 F (l2 )(l2 ) l4
硅单晶原子密度（111）>（110）>（100） 扩散速度、腐蚀速度[111]<[110]<[100]
2、微观力学分析假设
微电子机械系统MEMS设计与制造考核试卷
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？()
微机电系统-总深刻复习
第一章微机电系统（MEMS）概论掌握MEMS的基本概念、尺度范围；w1-1 试给出微机电系统的定义。
微机电系统，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。
一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机械元件和微电子于一体的微型器件、微型系统。
从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的集成微器件、微系统。
典型MEMS器件的长度尺寸约在1um~1mm。
了解MEMS技术的发展过程掌握MEMS与微电子技术的对比特征；1.微型化Miniaturization 。
微米量级空间里实现机电功能，典型MEMS器件的长度尺寸约在1um~1mm。
2.集成化Microeletronics Integration ，从而提高功能密度。
3.规模化Mass Fabrication with Precision。
采用微加工，形成类似IC的高精度批量制造、低成本、低消耗特征MEMS的加工与一般传统加工方法的对比特征。
w1-4 微型机件的加工与一般传统加工方法的区别在哪里？1.两者设计与制作方法不同。
2.控制方法和工作方式不同。
3.与环境的关系不同。
4.不能忽略尺度效应。
理解MEMS微尺度效应的概念。
w1-5 尺度效应的概念。
传统机械材料是经过熔炼、压延、切削加工成形，微机械结构的加工使其物理性能与整体材料不同，其性能随构件结构和制造工艺参数变化很大。
尺寸微小化对材料的力学性能和系统的物理特性产生很大影响第二章MEMS材料掌握微机电系统主要材料——硅的晶体结构；二氧化硅、氮化硅、碳化硅基本物理性能、用途和制备方法晶体结构:硅属于立方晶体结构SiO2：1 作为选择性掺杂的掩模：SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向半导体中扩散的能力。
2 作为隔离层：器件与器件之间的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。
SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好，它采用一个厚的场氧化层来完成。
纳米尺寸效应[整理]
![纳米尺寸效应[整理]](https://img.taocdn.com/s3/m/85b7e5290812a21614791711cc7931b765ce7bbb.png)
纳米材料中电子能级分布显著地不同于大块晶体材料中的电子能级分布。
在大块晶体中，电子能级准连续分布，形成一个个的晶体能带。
金属晶体中电子未填满整个导带，在热扰动下，金属晶体中的电子可以在导带各能级中较自由地运动，因而金属晶体表现为良好的导电及导热性。
在纳米材料中，由于至少存在一个维度为纳米尺寸，在这一维尺度中，电子相当于被限制在一个无限深的势阱中，电子能级由准连续分布转变为分立的束缚态能级。
能级间距δ决定了金属纳米材料是否表现出不同于大块材料的物理性质。
当离散的能级间距δ大于热能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，将导致金属纳米微粒的热、电、磁、光、以及超导电性与宏观物体有显著的不同，呈现出一系列的反常特性，此即为金属纳米微粒的量子尺寸效应。
例如，宏观状态下的金属Ag是导电率最高的导体，但粒径d<20nm的Ag颗粒在1K的低温下却变成了绝缘体；这是由于其能级间距δ变大，低温下的热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而移动，电阻率增大，从而使金属良导体变为绝缘体。
对于半导体而言，在尺寸小于100nm的纳米尺度范围内，半导体纳米微粒随着其粒径的减小也会呈现量子化效应，显现出与常规块体不同的光学和电学性质。
常规大块半导体的能级是连续的能级，当颗粒减小时，半导体的载流子被限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带过渡为分立的能级，使半导体的能隙变宽，、吸收光谱阈值向短波方向移动，此即为半导体纳米微粒的量子尺寸效应。
与金属导体相比，半导体纳米微粒组成的固体禁带宽度较大，受量子尺寸效应的影响非常明显。
对任何一种材料，都存在一个临界颗粒大小的限制，小于该尺寸的颗粒将表现出量子尺寸效应。
除导体变为半导体、绝缘体以外，纳米微粒的比热、磁矩等性质将与其所含电子数目的奇偶性有关，如：含有偶数电子的颗粒具有抗磁性，含有奇数电子的颗粒具有顺磁性（电子自旋磁矩的抵消情况不同）。
纳米金属颗粒的电子数一般不易改变，因为当其半径接近T）要大。
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。
MEMS考试重点
1．声表面波传感器的工作原理及特点
2．MEMS的基本概念及特性
3．小型化的概念及小型化的优势
4．特种加工的概念及特点
5．LIGA工艺的概念及基本工艺
6．准LIGA工艺及LIGA工艺过程
7．静电力的尺度效应，电磁力的尺度效应，为什么在MEMS中大多使用静电力而不使用电磁力驱动？而在宏观器件中大多数使用电磁力而不是用静电力驱动？
8．材料在MEMS中的作用及常用的MEMS材料
9．MEMS与IC封装的差异
10.制约MEMS封装成本的因素
11.生物特质与传感器耦合的模式
12.微机械震动陀螺仪的工作原理
13.简述微型压力传感器的概念、种类及工作原理
14.MEMS表面加工中的力学问题。
MEMS复习参考
考试范围：1，MEMS的定义应用。
2，光刻的过程，及相关工艺。
3，湿法刻蚀中的各向异性刻蚀工艺，及自终止技术。
4，CVD PVD工艺及其相关薄膜技术。
5，MEMS三大工艺：体加工，表面微加工，键合工艺。
相关过程和应用。
6，封装形式。
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。
MEMS微机电系统总结
一，简答题1，微机电制造工艺及每种工艺的用途、技术特征或者步骤微电子集成工艺是基础。
此外，它们主要是体微加工技术、微表面加工技术、高深度比微加工技术、组装与键合技术、超微精密加工技术。
（1），体微加工技术是为制造三维结构而发展起来的，即按照设计图形在硅片上有选择的去除一部分硅材料，形成微机械结构。
体微加工技术的关键技术是刻蚀，它包括干法和湿法刻蚀。
（2），表面微加工技术是以硅为基片，通过淀积与光刻形成多层薄膜图形，再把下层的牺牲层经刻蚀去除，保留上面的结构图形的加工方法。
表面微加工不同于体加工，它不对基片本身进行加工。
在基片上有淀积的薄膜，它们被有选择的保留或者去除以形成所需的图形。
表面微加工的主要工艺是湿法刻蚀、干法刻蚀和薄膜淀积。
牺牲层的刻蚀是表面微加工的基础。
表面微加工技术的步骤：首先在基片上淀积绝缘层和牺牲层，然后淀积结构层，经光刻得到微结构图形。
对此进行湿法刻蚀，把牺牲层sio2去除，便可得到无支撑的微结构。
（3），高深度比微加工技术LIGA技术被认为是最佳高深度比的微加工技术，加工宽度为几微米，深度高达1000um.且可实现微器件的批量生产。
该技术的优点是能制造三维微结构器件，获得的微结构具有较大的深度比和精细的结构，侧壁陡峭，表面平整，它是X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合。
LIGA技术的主要工艺：X光掩膜制造、X光深度光刻技术和微铸电技术。
(4).键合技术上述工艺制造的微构件都是通过键合技术来制成微机械的器件，键合技术组要分为硅熔融键合和静电键合两种2．微机电制造过程中常用的材料及其优缺点。
陶瓷、金属、硅材料。
常用的是硅。
硅的优点？回答出主要特征。
根据应用场所，微机电系统的制作材料分为微结构材料、微制动材料和微传感器材料。
根据材料性能，微机电系统的制作材料分为结构材料功能材料智能材料MEMS 常用材料半导体材料：硅及其化合物等。
硅：特殊的晶体结构使其具有各项异性，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。
微装配与MEMS仿真导论 第2章
无论模压还是模铸都是传统加工技术向微纳米领域的延伸。 模压与模铸的成型速度快，因此也是适用于大量生产的工 艺。
2.1.1 硅微加工技术
硅基MEMS技术是微结构制作中一种常用的技术，它 来源于IC加工技术，将传统的IC加工技术由二维的平面加 工技术发展为三维的立体加工技术，主要包括体硅微加工 技术、表面硅微加工技术和键合技术。体硅微加工技术通 常利用硅腐蚀的各向异性来制造各种几何结构，再通过键 合技术将两部分硅的微结构结合在一起形成机电装置；表 面硅微加工技术则是在硅基片表面加工出可动微机电结构。
探针工艺可以说是传统机械加工的延伸，是用各种微 纳米尺寸的探针取代了传统的机械切削工具。这里的探针 不仅包括诸如扫描隧道显微探针、原子力显微探针等物理 形式的探针，还包括聚焦离子束、激光束、原子束和火花 放电微探针等非固态形式的探针。原子力探针可以直接操 纵原子的排列，可以直接在基底材料表面形成纳米量级的 氧化层结构。这些固体微探针也可以通过“点墨法”将分 子液体传递到固体表面，形成纳米量级的单分子层点阵或 图形。非固态微探针，如聚焦离子束，可以通过聚焦得到 小于10nm的束直径，由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅 助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构。
第二章 MEMS工艺及器件特性
2 1 MEMS材料工艺特性 2 2 MEMS器件结构功能 2 3 MEMS系统产品简介
MEMS的系统划分自上而下分为工艺级、物理级、器 件级和系统级四个层级，对应于各层级分别表现出MEMS 的材料特性、结构特性和功能特性，其对应关系如图2.1所 示。现就各层级特点将MEMS特性分别进行描述。
聚焦激光束已经广泛应用于传统加工工艺，作为切割或焊 接工具。高度聚焦的激光束也可以直接剥蚀形成微纳米结 构，例如近年来飞速发展的飞秒激光加工技术。
MEMS设计中的尺度效应
更一般的固体热导率的形式为
QqAkAT x
由式可知，对于固体介观和微观的热传导，其尺度
规律为
Q(l2)l(1)(l1)
从这个尺度规律中可看出，尺度的减小将导致固体 中整个热流量的减小。
第二种尺度规律涉及微系统的现象行为尺度，考 虑到系统的尺寸和材料特性。
微系统设计中常涉及的物理量：
体积：体积与器件的质量和重量有关 表面积：表面特性与流体力学中的压力和浮力有
关,与对流热传导中固体热吸收和耗散有关。
在一个尺度减小的过程中，同等地减小一个物体的 体积和表面积是不可能实现的。
下图是一个实心长方体的例子。a>b>c，体积V=abc， 表面积S=2×(ac+bc+ab)。如果l 代表一个固体的线 性因次，
例题
如图所示，如果平行板的长L和宽W都减小10倍， 求一对平行板电极产生的静电力的减小。
解：
当平板电极没充电时保持间隙为d。因此，由静电 力分量的表达式，可得出各自的静电力分量：
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
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。
在微观领域在微观领域与特征尺寸的高次方成比例的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惯性力电磁力等的作用相对减小而与特而与特征尺寸的低次方成比例的弹性力表面张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力和静电力的作用显著表面积与体积之比表面积与体积之比增大增大因而微机械中常常采用静电力作为驱因而微机械中常常采用静电力作为驱动力
MEMS
1．什么是MEMS？有哪些应用，列举三种以上MEMS产品及其应用。
答：MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的缩写。
MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。
MEMS特点：微型化；集成化；多学科交叉产品：压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷嘴和硬盘驱动头等应用：2222①跟上发展步伐步程计。
它用于测量人行走时的速度或距离。
②让GPS更可靠：微加速度计。
在汽车安全气袋系统中，用于检测和监控前面和侧面的碰撞。
③为游戏应用提供更佳的控制能力：MEMS加速器。
在改善电子游戏的体验方面，改善控制盘和操纵杆的倾斜及运动敏感功能。
④微型医疗机器人：注入人体血管，进行测量、诊断以及做出相应的治疗。
⑤角速度计：用于车轮侧滑和打滚控制。
2．尺度效应的定义，在MEMS设计中如何利用尺度效应？答：尺度效应是指在微成形过程中，由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象。
从微成形工艺系统角度出发,要分析微尺度效应的动态性和相关性；本构理论出发,要分析产生微尺度效应的原因。
MEMS中使用的材料结构为单晶体，在进行微观力学分析时，作为纯的单晶体，不考虑其内部的点缺陷，线缺陷和面缺陷的分布。
单晶硅的变形可用晶格理论来解释：在外力作用下，处于晶格格点位置上的原子偏起始所处的平衡位置，并在新的位置处于平衡。
由此计算该原子在外力作用下的位移。
3．湿法刻蚀和干法刻蚀的概念及其在MEMS中应用？答: 湿法刻蚀：将被腐蚀材料氧化，然后通过化学反应生成一种或多种氧化物再溶解。
这个过程有时在高温中以气相的形式完成刻蚀。
干法刻蚀：应用气态腐蚀介质，通过电场气态离子被加速到衬底上。
湿法刻蚀应用：砷化镓的湿法刻蚀；SiO2膜的湿法刻蚀；磷硅玻璃(PSG)湿法刻蚀；混合氧化物的湿法刻蚀；氮化硅的湿法刻蚀；多晶硅和半绝缘多晶硅的湿法刻蚀；硅化物薄膜的湿法刻蚀；金属薄膜的湿法刻蚀等。
《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。
微机电系统习题及参考答案
第1、2章习题及参考答案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．J法思路步骤：（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。
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三个力的分量Fd，FW和FL∝(l2) ，则静电力在表6.1 中的力尺度是2阶的。
例题6-3
如图6.6所示，如果平行板的长L和宽W都减小10倍， 求一对平行板电极产生的静电力的减小。
解：
当平板电极没充电时保持间隙为d。因此，由静电 力分量的表达式，可得出各自的静电力分量：
3.静电力中的尺度
静电势能的尺度规律 静电力的尺度规律
(1)研究静电势能的尺度规律
如图6-4的平行板电势能为
ε0是介电常数 εr是相对介电常数 V是击穿电压
根据Paschen效应，平行板的击穿电压V随两平板 的间隙变化而变化。该效应如图6-5所示。
从图6.5可知：
当d<5μm时，随间隙增加电压V急剧下降 当d>5μm时， V下降趋势明显减缓
5.电学中的尺度
电是MEMS和微系统的主要能源 电主要应用在许多微系统的静电、压电、热阻加 热驱动上 电在微系统中的应用 电动力泵 机电转换 电的尺度规律是一个很重要的设计问题
从物理规律得出电的尺度规律：
电阻：
ρ、L和A分别是电阻、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
微系统设计中常涉及的物理量： 体积 表面积 体积与器件的质量和重量有关 表面特性与流体力学中的压力和浮力有关,与对流 热传导中固体热吸收和耗散有关 在一个尺度减小的过程中，同等地减小一个物体的 体积心长方体的例子。a>b>c，体积V=abc， 表面积S=2×(ac+bc+ab)。如果l 代表一个固体的线 性因次，那么体积V∝l3 ，表面积S∝l2 ，可得
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
通过上面的简单的计算可知：惯性质量矩减小了 32倍，因此当尺寸减小50％时，转动镜子所要求 的转矩也减小了32倍。
2. 刚体动力学中的尺度
动力中的尺度 Trimmer力尺度向量
(1)动力中的尺度
刚体从一位置运动到另一位置，运动的距离s∝l， 此处l代表线性尺度。速度v=s/t，因此v∝(l)t-1，其中 t为运动的时间。 因此，根据质点运动学，可得
1 2 s v0t at 2
其中, v0为初始速度 a为加速度
令v0＝0，由式(6.3)可得加速度
2s a 2 t
根据牛顿第二定律，动力F为
2sM 3 2 F Ma 2 (l )( l )t t
(2) Trimmer力尺度向量
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
根据上式可得
加速度a
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
由上列一系列的公式，可得出一系列的刚体动力 学的尺度效应，如表所示。 阶 力尺度 F 加速度 a 时间 t 功率密度 P/V0
1 2 3 4
l1 l2 l3 l4
l-2 l-1 l0 l1
1. 尺度的基本概念
尺度问题的基本意义 本章介绍尺度的目的在于提供一些可供选择的尺度 规律，使设计者意识到缩小机器和器件尺度所带 来的物理后果；并使其明白，一些微型化在物理 上是行不通的，或者在经济上是没有意义的。
用于微系统的设计尺度规律
第一种规律是严格依据物体的尺寸，如几何结构 的尺度。这类物体的行为由物理定律所决定。 第二种尺度规律涉及微系统的现象行为尺度，考 虑到系统的尺寸和材料特性。
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
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（2-7）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
电动势是驱动电子通过导体的力 驱动电荷的能量可表示为
对于磁通量为φ的磁场中的带电导体，N匝线圈产 生的电动力为
将上式带入驱动电荷能量表达式，且Q=it，可得
当N=1时，由上式可得出电感L=φ/I 对式积分，可得 或 产生的电磁力为 或
恒定电流流动情况，则电磁力表示为
由电磁力表达式和i∝l2，得电磁力的尺度为 F∝(l2)(l2)=l4
l1.5 l1 l0.5 l0
l-2.5 l-1 l0.5 l2
例题6-2
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6.1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。
例题6-1
计算当尺寸减小50％的情况下 转动微镜所需扭矩的减小量。 镜的安装和尺寸如图6-3所示。
解：
沿y-y轴转动微镜所需的扭矩与微镜的质量惯性矩 Iyy有关，表达式为：
式中M为镜的质量，c为镜的宽度 由镜的质量M=ρV=ρ(bct)，ρ 为镜子材料的质量密 度，镜子的质量惯性矩
当尺寸减小50％时，镜子的惯性质量矩为：