菅傲群，张文栋

(太原理工大学信息工程学院，山西太原030024)

微纳机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)又称微机械(Micromachine)和微系统(Microsystems)是指利用硅集成电路工业上发展起来的技术和工艺制作的包括微纳传感器、微机械执行器和微能源等一系列微机电器件和系统[1，2]。

作为一门近年发展起来的新兴的高新技术边缘交叉学科，MEMS技术的触角已延伸到今天生产和生活的很多领域:基于微泵和微阀等的微流控芯片(lab on a chip)，压力计、加速度计、陀螺等力电传感器件，射频开关等微波器件，光开关和微镜阵列等微光机电器件等。美国，日本和欧盟已加大了在微纳机电系统领域科研资金的投入[3-5]。因此，在微纳机电系统应用技术和产业大力发展的背景下，培养具有专业知识体系结构的工程技术人才，探索出一种科学、有效的微纳机电工程专业人才培养模式具有重要意义。

我国许多著名高校，都开设了微纳机电系统(MEMS)相关的本科生/研究生课程。我校电科专业成立于2012年，其微纳机电系统教学定位于培养能在微电子学、微机械电子系统和光电子科学等领域从事产品设计、工程技术和生产管理等工作的工程技术人才。但是，我校开设的“微纳机电系统”课程在教学模式、教学内容和教学方法等方面均处于探索阶段，我们根据教学要求，从该门课程的教学内容、教学方式两个方面进行论述和探讨。

1 “微纳机电系统”课程内容的特点

虽然目前MEMS作为一个大的领域，已由最初的力电耦合器件发展为力、电、磁、热、光、流体及固体的多场耦合，但是力电耦合器件(加速度计、陀螺仪、微齿轮等)一直是MEMS器件发展的重要方向。对于“微纳机电系统”课程来说，力电耦合器件结构也相对简单，便于学生理解MEMS的基本概念和基本原理，故其作为本课程的重点内容来作介绍的。讲授这门课的教师必须对材料的机械特性有足够的了解，应当给学生详细介绍这部分内容。电子科学与技术专业的学生，其大学的专业课一直是以电路系统和半导体物理作为主干课程，对于材料的机械特性比较陌生。笔者认为，要设计出符合要求的MEMS器件，选择合适的材料和几何参数是十分必要的，因此对MEMS器件的力学特性要有一个全面的了解。为了解决学生对器件设计的物理模型，器件的物理机理的知识匮乏，我们必须从教学内容上加强这部分内容:应力、应变、各项异性材料、悬臂梁弯曲微分方程和系统模态分析等。我们讲授此部分内容时保证一定的学时(2-3课时)，对材料力学基础知识作全面介绍，并辅以一定量的习题，使学生在应用中加深这部分知识的理解和掌握。

由于MEMS植根于微纳加工工艺，微纳加工技术是“微纳机电系统”这门课的重点。微系统的设计与微加工工艺的相关性很强，任何结构的设计都不能脱离开加工工艺的制约，否则设计的可行性和质量就无从谈起[6]。微机械加工技术是一个相对独立而且完整的知识系统。从大的分类讲，包括表面硅和体硅工艺;从工艺顺序上讲，有薄膜生长、光刻、腐蚀、刻蚀和键合等一系列化学、物理过程，比较庞杂繁复。因此笔者在讲授过程中突出介绍经典工艺，详细说明其原理，实现过程、该工艺可能的实现精度及副作用等。

对于较为前沿的工艺技术，可在其基础上，作一般性的介绍，或将其作为开放型的作业，让学生自学并在课上交流。这样可以增强学生对这门课的兴趣，同时培养学生的自学能力。同时，在讲授这部分内容时，所准备的课件最好图文并茂，给学生留下最直观、生动的印象。

2 “微纳机电系统”教学方式探索

ANSYS是融结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是目前广泛应用的MEMS器件设计软件，因此我们在本课程的教学中加入一定量的ANSYS上机练习时间。例如，教师可以以最经典的悬臂梁结构作为例子，详细讲授建模、网格化和结果分析等一系列操作和处理，讲授课时建议为4课时。其方式最好采用教师给出操作步骤，学生在课上自行练习。在上机课开设的时间上，应紧随材料的机械特性的内容，这样可以使学生自动复习上节课的内容，加深对理论知识的理解。

在本课程的后半部分，我们以某一特定器件(加速度计)为例，以器件为中心，系统地从工作原理、结构设计、模态分析、工艺设计、版图设计、工艺实现情况测试、器件封装、性能测试和可靠性分析等环节进行介绍。对于此部分内容，应尽量糅合工程实践问题，以启发学生对整个MEMS器件设计有一个系统的认识和理解，并对MEMS工程实践有一些概念上的认识。

目前MEMS已在多个子领域和子方向上迅速发展。各个子领域之间，虽然有一定的联系(设计流程、部分实现工艺)，但是由于工作原理和应用环境的不同，各个领域的器件设计的侧重点也是千差万别。同时，一些新的前沿的研究方向(如纳机电器件等)也不断涌现[7]。因此，教师可在某一子领域选一代表性的器件作介绍，比如对于微流控芯片，可以介绍集成DNA分析系统;在微波器件领域，将RF MEMS开关作为例子;对于微光机电器件，介绍应用于高档投影仪的MEMS微镜系统;对于微能源器件，集中介绍MEMS燃料电池。对于作为例子的具体器件，侧重介绍其工作原理和应用环境，使学生能够建立起概念。在此之后，可将学生分成若干小组，把某一领域的器件分给一个小组，将该器件不同层面的知识点(如工艺，应用等)再分给每个学生。学生在深入研究自己负责的部分之后，也可以对其它领域的MEMS器件有一定的了解。教师可以通过课堂提问、讨论的方式检查其认识水平。

3 结语

微机械系统是近年来发展起来的一个全新的产业和研究方向，其涉及内容不但比较庞杂，同时也具有其侧重工艺实现和工程实践等独有的特点。本文从“微纳机电系统”课程内容特点和教学方法展开论述，希望能够提高教学效果，让学生在较短的时间内，掌握这一新颖且专业性比较强的课程知识。

[1]Gregory T.A.Kovacs，微传感器与微执行器[M].张文栋，北京:科学出版社，2003:2.

[2]石庚辰，郝一龙，微机电系统技术基础[M].北京:中国电力出版社，2006:8.

[3]王立鼎，罗怡.中国MEMS的研究与开发进程[J].沈阳:仪表技术与传感器，2003，(1):1-3.

[4]张兴，郝一龙，李志宏，王阳元.跨世纪的新技术-微机电系统(MEMS)[J].北京:电子科技导报，1999，(4):2-5.

[5]赵长根.德国微系统技术的发展[J].北京:全球科技经济瞭望，2004，(4):61-63.

[6]崔铮.微纳米加工技术及其应用(第三版)[M].北京:高等教育出版社，2013:3.

[7]张文栋.纳机电基础效应与器件[M].北京:科学出版社，2011:11.