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1、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、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。KJ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。
3、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。当解释问题的结构时，解答问题的观点要进行说明。2. NM法。NM法是在自然式日常生活中寻找比拟法创造和开发新技术观点，应用到不同的问
4、题型式中。NM法的四种技术：（1）NM法的A型式和S型式，联合外观上不相关的量创造观点。A型式（面积）：空间的联合，如“球“加”笔“为钢笔尖。而“鸡蛋”和“玻璃杯”的联合创造出一种新型鸡蛋包装。S型式（连续的）；时间的联合，当制作电影或卡通片时，用来创造惊奇的战果。（2）NM法的T型式（用3种问题型式的求解，创造许多类比。问题类比（QA）：“以一个实例：创造出许多类比；问题背景（QB）：“如何制造“，参考类比进行制造；问题概念（QC）：“任何的提示“，为解决问题取得提示。（3）NM法的H型式，实行一个类比，完全可产生一个好的答案。同样问题可用作创造类比和观点的提示。 问题开发（QD）：用联合许
5、多问题概念开发观点。接触问题的设计用一个类比显示，当在显微镜下注意到电子接触点时，接触表面看起来象泥坑。从类比得到启示，用离开接触面之间的距离解决，即变为点接触。（4）NM法的D型式：在上述3种技术中，所应用的方法是为了发现而不是发明。而这种方法是从上述3种技术相抵触的数据中取得假设。为了类比，可以看做是一种收集有争议的数据，从中得到启发，探索问题的解决。3. KEY-NEEDS法，中文称为关键需要法。关键需要法是一种创造与使用者需要一致的新产品概念的工具。关键需要法的技术步骤（1） KW步骤：构筑关键词，根据市场的需要，用动词或者副词描述调查的范围。（2） P步骤：发现问题，选择适合每个关键
6、词组的问题，关键词涉及内容可以是宽的或者是窄的，但是每个关键词所对应的问题范围是有限的。（3） R步骤：建议原因，对每个问题建议解决问题的方案。 （4） T步骤：建议原因，对每个问题建议解决的方案。每个原因都能够转换成正面的和负面的陈述，被用于观点产生的基础。例如：T1：“好天气留在家里。”T2“好天气最好不留在家里”。每个原因写两个解答提示在卡片上。（5）I步骤：产生产品的观点，满足基本需要，提示调查方面的主题，抽出5-6张转变原因为解答提示的卡片，并且讨论与主题有关的卡片的随机组合，提出新的提示，为商业产品建议观点。在联组2-3个观点后，即可描述出可被想向的图象。（6）C步骤：形成概念，选
7、择被引起注意的概念并形成概念。4. KepenerTregoe法，KepenerTregoe法是确立问题，分析和做出判定的4种技术结合。它的目的在于应用标准模式一步一步处理的方法，进行工业合理化管理。由于有些未知原因，偏离正规化的问题，用这种方法能使问题得到解决。KepenerTregoe法的要点：(1) 确立问题的模式和解决的方法：什么？为什么？那些？前提是什么？等等发现有必要的信息。（2）有意识地区别思考范围的不同，用分析，评价，选择等方法，一步一步的接近结果。（3）针对确定的对象，促进对象的评价和判定。5. 朱钟淦捤谷诚方法，该方法是针对机械电子产品系统设计时应用，包括4个步骤：产品功能
8、分析；为实施各模块的功能，选择可实施的方案；多种方案的综合评价，优化设计；产品芯片设计。在系统设计开始时，首先应该确定系统的主功能以及目的功能，其次确定系统的功能结构。系统的功能结构是一个抽象的模型，其有三个组成部分：变换、传输、存储。其中变换功能是把被描述为物质、能量、信息的三种输入形式经转变为另一种输出形式，MEMS是一个效应结构，这个结构可引起目的功能与效应之间的因果关系，阶段的转移，系统功能的实现取决于系统所处的阶段，从一个阶段到另个阶段来描述变化的状态。在实现功能的方法确定之前，必须慎重考虑层次功能和模型，注意不能将有的功能划为低层次功能，最后需要考虑功能的合成。3 什么是接口设计？
9、接口设计包含那些方面？接口设计是十分重要的，一般接口分为硬接口和软接口，还应考虑微观与宏观接口设计。硬接口: 以硬件形式完成子系统，功能模块之间的物质，信息，能量的输入与输出的变换，传输。按其作用可分为零接口，主动接口，被动接口，智能接口。软接口：应用软件实现接口功能。微观与宏观接口设计，其任务是要求微观与宏观之间定量地传输物质，能量，信息。设计这种传输需要传输元器件，连接技术和联结设计。4 微传感器布阵设计方法主要思路是什么？如何应用回归理论和正交设计方法进行阵列布阵设计？微传感器布阵设计方法主要思路是考虑平面上多个微传感器如何布阵的问题。应用数理统计理论，在芯片平面上，设计多个传感器，能提
10、高传感器的可靠度，有效地采集实验数据。在进行微传感器阵列的布阵设计时，首先通过建立的数学模型，对被测物理量的影响因素进行分析，其次通过试验获得有效数据，最后提出正确的布阵方案。如何正确地进行实验。用最小的次数，获得最好的结果。这需要对试验模式进行正交试验设计。正交试验设计不仅对布阵设计有用，对所有需要试验研究的问题同样是很重要的工具。虽然目前计算机的仿真试验已经十分方便，但是在MEMS设计中，以宏观试验代替微观实验还是必不可少的5 在MEMS产品中如何应用尺度效应进行设计？其根据是什么？对于一阶尺度，如表面体积尺度变化规律是什么？MEMS产品将尽可能地减少MEMS产品的结构尺寸，但是随着尺度的
11、缩小将会带来很多物理后果。通常，尺度的变化规律遵循着两个方面，第一种规律是严格依据物体的尺寸，如几何结构的尺度，物体行为可以由物理定律所决定，这种尺度规律包括刚体动力学、静电和电磁力等；第二种尺度规律考虑到系统的尺寸和材料特性。所依据的尺度效应对几何结构学、刚体动力学、静电力、电学、流体力学以及热传递中的物理量进行分析，并以量纲作为分析工具。体积和表面积是在MEMS产品设计中经常涉及的两个物理量对于一个实心长方体如图2所示，长方体有3边，abc,其体积v=abc,表面积s=2(ab+bc+ac)如果l代表一个固体的线性尺度，那么体积，表面积，则；6 什么是微观力学？其基本假设是什么？微观力学在
12、尺度上是微米量级的甚至更小要研究晶体结构对于一般的晶体结构，可以将原子、离子视为分离点，这些点构成点阵,所应用的力学。基本假设是（1） 材料性质与材料变形假设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，晶体受损可能性的尺度在m 范围。（2） 几何模型立方的格点分布可以看作面心立方（简称FCC）面心立方结构位置矩阵A与金刚石晶格结构的位置矩阵B之间的关系为：（3） 晶格点上的作用力每个晶格点上作用有5个力：惯性力是外力，晶格点上的原子与相邻的四个原子之间的四个相互作用力（4） 空间节点铰接桁架结构模型根据材料变形的假设，晶格
13、结构可以考虑成为空间节点铰接桁架结构，不计共价键夹角角度的改变。图2.23表示一个惯用元胞的几何结构，中间的连接表示两个结点之间的连接杆。由于结点上原子的自身重量远小于外力。结点可以被看作无质量的连接点，共价键考虑为可伸缩的杆件。（5） 边界条件应考虑所分析的惯用元胞的晶面与总体坐标系的基础面接触的关系。如果基础面是固定的，那么在外力作用下这些晶面上所有的位移为零。另外，在晶面符合外界边界条件的同时，还需满足晶体内与晶面之间的关系。7 简述如何应用ANASYS和NASTRAN程序进行变形分析。ANSYS软件采用不同单元类型及特性来处理不同的物理效应，每一种单元都具有独特的属性，如材料性质、边界
14、条件、分析选项、载荷、耦合、约束条件等。结构分析可确定实际工作中的参数，如应力、拉力、位移、结构的固有频率、模态等。NASTRAN求解结构在与时间无关，或时间效果可忽略的静力载荷（如集中/分布静力，温度载荷、强制位移、惯性力等）作用下的响应，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；材料模式包括各向同性、正交各向异性、各向异性、随温度变化的材料；各种载荷和工况的组合，包括点、线和面载荷、热载荷、强迫位移、各种载荷的加权组合。可进行具有惯性释放的静力分析，无约束自由结构在静力载荷和加速度作用下产生的准静态响应。8 MEMS中如何应用CAD技术。（1）MEMS技术涉及
15、微电子、微机械、微动力学、微流体力学、微热力学、材料学、物理学、化学和生物学等等。这些作用域相互作用，共同构成了完整的MEMS并实现确定的功能，多能量域的耦合问题是MEMS的CAD最需要解决的，也是最难解决的问题。（2）MEMS的CAD必须提供自动生成三维模型的工具，具有结构仿真器。（3）MEMS的制造过程不会改变结构的几何参数，但会影响材料的性质，而材料性质的改变又会影响结构的电子和机械特性。因此MEMS的CAD必须建立相应的材料特性数据库。根据工艺流程自动将材料的特性引入到三维几何模型中。（4）MEMS的器件不仅是复杂的三维结构，各种能量域相互耦合、计算中需要进行内部的量化，而且要考虑结构外部各种物理场，如电场、磁场、流场的耦合分析，这些计算量大，耗时。因此要求MEMS的CAD具有快速、有效的算法作为分析计算的基础。使用MEMS的CAD的过程：通过对工艺及结构的直接描述，由结构仿真器生成三维几何模型，然后从材料数据库中提取元件的材料特性，将其引入几何模型中，生成完整的三维模型，并对此三维模型进行多能量域的分析。
