“微納機(jī)電系統(tǒng)”課程教學(xué)方法探討

菅傲群，張文棟

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原030024)

微納機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)又稱微機(jī)械(Micromachine)和微系統(tǒng)(Microsystems)是指利用硅集成電路工業(yè)上發(fā)展起來的技術(shù)和工藝制作的包括微納傳感器、微機(jī)械執(zhí)行器和微能源等一系列微機(jī)電器件和系統(tǒng)[1，2]。

作為一門近年發(fā)展起來的新興的高新技術(shù)邊緣交叉學(xué)科，MEMS技術(shù)的觸角已延伸到今天生產(chǎn)和生活的很多領(lǐng)域:基于微泵和微閥等的微流控芯片(lab on a chip)，壓力計(jì)、加速度計(jì)、陀螺等力電傳感器件，射頻開關(guān)等微波器件，光開關(guān)和微鏡陣列等微光機(jī)電器件等。美國，日本和歐盟已加大了在微納機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域科研資金的投入[3-5]。因此，在微納機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的背景下，培養(yǎng)具有專業(yè)知識體系結(jié)構(gòu)的工程技術(shù)人才，探索出一種科學(xué)、有效的微納機(jī)電工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式具有重要意義。

我國許多著名高校，都開設(shè)了微納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)相關(guān)的本科生/研究生課程。我校電科專業(yè)成立于2012年，其微納機(jī)電系統(tǒng)教學(xué)定位于培養(yǎng)能在微電子學(xué)、微機(jī)械電子系統(tǒng)和光電子科學(xué)等領(lǐng)域從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程技術(shù)和生產(chǎn)管理等工作的工程技術(shù)人才。但是，我校開設(shè)的“微納機(jī)電系統(tǒng)”課程在教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法等方面均處于探索階段，我們根據(jù)教學(xué)要求，從該門課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式兩個(gè)方面進(jìn)行論述和探討。

1 “微納機(jī)電系統(tǒng)”課程內(nèi)容的特點(diǎn)

雖然目前MEMS作為一個(gè)大的領(lǐng)域，已由最初的力電耦合器件發(fā)展為力、電、磁、熱、光、流體及固體的多場耦合，但是力電耦合器件(加速度計(jì)、陀螺儀、微齒輪等)一直是MEMS器件發(fā)展的重要方向。對于“微納機(jī)電系統(tǒng)”課程來說，力電耦合器件結(jié)構(gòu)也相對簡單，便于學(xué)生理解MEMS的基本概念和基本原理，故其作為本課程的重點(diǎn)內(nèi)容來作介紹的。講授這門課的教師必須對材料的機(jī)械特性有足夠的了解，應(yīng)當(dāng)給學(xué)生詳細(xì)介紹這部分內(nèi)容。電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，其大學(xué)的專業(yè)課一直是以電路系統(tǒng)和半導(dǎo)體物理作為主干課程，對于材料的機(jī)械特性比較陌生。筆者認(rèn)為，要設(shè)計(jì)出符合要求的MEMS器件，選擇合適的材料和幾何參數(shù)是十分必要的，因此對MEMS器件的力學(xué)特性要有一個(gè)全面的了解。為了解決學(xué)生對器件設(shè)計(jì)的物理模型，器件的物理機(jī)理的知識匱乏，我們必須從教學(xué)內(nèi)容上加強(qiáng)這部分內(nèi)容:應(yīng)力、應(yīng)變、各項(xiàng)異性材料、懸臂梁彎曲微分方程和系統(tǒng)模態(tài)分析等。我們講授此部分內(nèi)容時(shí)保證一定的學(xué)時(shí)(2-3課時(shí))，對材料力學(xué)基礎(chǔ)知識作全面介紹，并輔以一定量的習(xí)題，使學(xué)生在應(yīng)用中加深這部分知識的理解和掌握。

由于MEMS植根于微納加工工藝，微納加工技術(shù)是“微納機(jī)電系統(tǒng)”這門課的重點(diǎn)。微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與微加工工藝的相關(guān)性很強(qiáng)，任何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都不能脫離開加工工藝的制約，否則設(shè)計(jì)的可行性和質(zhì)量就無從談起[6]。微機(jī)械加工技術(shù)是一個(gè)相對獨(dú)立而且完整的知識系統(tǒng)。從大的分類講，包括表面硅和體硅工藝;從工藝順序上講，有薄膜生長、光刻、腐蝕、刻蝕和鍵合等一系列化學(xué)、物理過程，比較龐雜繁復(fù)。因此筆者在講授過程中突出介紹經(jīng)典工藝，詳細(xì)說明其原理，實(shí)現(xiàn)過程、該工藝可能的實(shí)現(xiàn)精度及副作用等。

對于較為前沿的工藝技術(shù)，可在其基礎(chǔ)上，作一般性的介紹，或?qū)⑵渥鳛殚_放型的作業(yè)，讓學(xué)生自學(xué)并在課上交流。這樣可以增強(qiáng)學(xué)生對這門課的興趣，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。同時(shí)，在講授這部分內(nèi)容時(shí)，所準(zhǔn)備的課件最好圖文并茂，給學(xué)生留下最直觀、生動(dòng)的印象。

2 “微納機(jī)電系統(tǒng)”教學(xué)方式探索

ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場和聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是目前廣泛應(yīng)用的MEMS器件設(shè)計(jì)軟件，因此我們在本課程的教學(xué)中加入一定量的ANSYS上機(jī)練習(xí)時(shí)間。例如，教師可以以最經(jīng)典的懸臂梁結(jié)構(gòu)作為例子，詳細(xì)講授建模、網(wǎng)格化和結(jié)果分析等一系列操作和處理，講授課時(shí)建議為4課時(shí)。其方式最好采用教師給出操作步驟，學(xué)生在課上自行練習(xí)。在上機(jī)課開設(shè)的時(shí)間上，應(yīng)緊隨材料的機(jī)械特性的內(nèi)容，這樣可以使學(xué)生自動(dòng)復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容，加深對理論知識的理解。

在本課程的后半部分，我們以某一特定器件(加速度計(jì))為例，以器件為中心，系統(tǒng)地從工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、工藝設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)情況測試、器件封裝、性能測試和可靠性分析等環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹。對于此部分內(nèi)容，應(yīng)盡量糅合工程實(shí)踐問題，以啟發(fā)學(xué)生對整個(gè)MEMS器件設(shè)計(jì)有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識和理解，并對MEMS工程實(shí)踐有一些概念上的認(rèn)識。

目前MEMS已在多個(gè)子領(lǐng)域和子方向上迅速發(fā)展。各個(gè)子領(lǐng)域之間，雖然有一定的聯(lián)系(設(shè)計(jì)流程、部分實(shí)現(xiàn)工藝)，但是由于工作原理和應(yīng)用環(huán)境的不同，各個(gè)領(lǐng)域的器件設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)也是千差萬別。同時(shí)，一些新的前沿的研究方向(如納機(jī)電器件等)也不斷涌現(xiàn)[7]。因此，教師可在某一子領(lǐng)域選一代表性的器件作介紹，比如對于微流控芯片，可以介紹集成DNA分析系統(tǒng);在微波器件領(lǐng)域，將RF MEMS開關(guān)作為例子;對于微光機(jī)電器件，介紹應(yīng)用于高檔投影儀的MEMS微鏡系統(tǒng);對于微能源器件，集中介紹MEMS燃料電池。對于作為例子的具體器件，側(cè)重介紹其工作原理和應(yīng)用環(huán)境，使學(xué)生能夠建立起概念。在此之后，可將學(xué)生分成若干小組，把某一領(lǐng)域的器件分給一個(gè)小組，將該器件不同層面的知識點(diǎn)(如工藝，應(yīng)用等)再分給每個(gè)學(xué)生。學(xué)生在深入研究自己負(fù)責(zé)的部分之后，也可以對其它領(lǐng)域的MEMS器件有一定的了解。教師可以通過課堂提問、討論的方式檢查其認(rèn)識水平。

3 結(jié)語

微機(jī)械系統(tǒng)是近年來發(fā)展起來的一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)和研究方向，其涉及內(nèi)容不但比較龐雜，同時(shí)也具有其側(cè)重工藝實(shí)現(xiàn)和工程實(shí)踐等獨(dú)有的特點(diǎn)。本文從“微納機(jī)電系統(tǒng)”課程內(nèi)容特點(diǎn)和教學(xué)方法展開論述，希望能夠提高教學(xué)效果，讓學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)，掌握這一新穎且專業(yè)性比較強(qiáng)的課程知識。

[1]Gregory T.A.Kovacs，微傳感器與微執(zhí)行器[M].張文棟，北京:科學(xué)出版社，2003:2.

[2]石庚辰，郝一龍，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:中國電力出版社，2006:8.

[3]王立鼎，羅怡.中國MEMS的研究與開發(fā)進(jìn)程[J].沈陽:儀表技術(shù)與傳感器，2003，(1):1-3.

[4]張興，郝一龍，李志宏，王陽元.跨世紀(jì)的新技術(shù)-微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)[J].北京:電子科技導(dǎo)報(bào)，1999，(4):2-5.

[5]趙長根.德國微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展[J].北京:全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望，2004，(4):61-63.

[6]崔錚.微納米加工技術(shù)及其應(yīng)用(第三版)[M].北京:高等教育出版社，2013:3.

[7]張文棟.納機(jī)電基礎(chǔ)效應(yīng)與器件[M].北京:科學(xué)出版社，2011:11.