《微机电系统》课程教学内容的探讨

【摘要】在《微机电系统》课程建设过程中,根据课程的特点,对其教学内容的选取和重点内容的确定方面进行了探讨和实践。认为要在充分考虑先修课程的基础上,对课程教学内容进行合理的筛选,使之既要自成体系,防止重要知识点的遗漏,又要避免与其它课程内容重复,做到与相关课程的建设的互相促进。

【关键词】微机电;课程建设;教学内容

MEMS Course Teaching Content Discussed

Tang Daowu(North China Institute of Science and Technology Beijing east yanjiao 101601)

【Abstract】In MEMS course construction process, according to the characteristics of the course, the teaching content and the selection of key content determination discussed and practice. Think to full consideration first courses, and on the basis of the teaching content of reasonable selection, make already to become the system, prevent the omission of an important knowledge, and to avoid and other course content repeat, do it and related course construction of promote each other.

【Keywords】MEMS; Course construction; Teaching content

【中图分类号】G642.3【文献标识码】A【文章编号】2095-3089(2012)09-0046-02

0 引言

微机电系统是指采用微电子制造技术融合精密加工技术来制造微小尺度的功能器件和系统,也称为微电子机械系统,目前尚无统一的定义,但一般认为它是以微电子、微机械与材料科学为基础,研究、设计和制造具有特定功能的微型装置,它包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等[1]。自20世纪80年代中末期发展至今微机电系统一直受到世界各发达国家的广泛重视,在短短三十几年中得到了迅猛的发展,被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。一些有影响的高校、研究机构纷纷投巨资建立实验室,相当多的高校陆续开设了相关的课程。

《微机电系统》课程的教学时间是32学时,主要讲述微机电系统的基本概念、加工方法、应用实例等,力图使学生了解微机电系统的基础理论和应用,拓宽学生的知识面。由于学时少、内容多,全部进行精讲是不可能的,教学内容的选取是课程建设的最主要的任务,我们认为一定要根据本课程的特点,考虑与先修课程的衔接,突出重点,讲清难点,优化课堂教学内容。

1 微机电系统的特点

实用的微机电系统一般由微执行器、微传感器、控制电路等部分构成,这些部分有机结合,协调动作,达到预定的目的。和普通机械一样,微机电系统涉及到材料、设计、制造工艺、控制、能源供给等内容,同时,微机电系统又有着自己的特点,下面以利用半导体制造工艺制作的微机电系统加以说明:

1.1体积小型化。一般的微机电系统在毫米到微米范围内,区别于一般传统的尺寸大于1cm尺度的机械。由于体积小它可以在一般的机械到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用。

1.2加工方法集成化。目前一般的微机电系统是基于硅微加工技术制造,和半导体电路相同,使用刻蚀、光刻等制造工艺,一般将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上,大大提高了生产效率和降低了成本,而且一般不需要组装、调整。与微电子芯片类同,微机电系统一般要求在无尘室大批量、低成本生产,使性能价格比比传统机械制造技术大幅度提高。

由于微机电系统的个组成部分集成到一起,工作对象和自身的信息由传感器检出,控制电路对信息进行处理后,在系统内就可以进行简单的控制,从而极大的减少了与外界的物理连接和信息交换。

1.3应用范围广。微机电系统已逐步应用到传感器技术、医疗器械、家用电器、航空航天、军事等诸多领域,并且在不断的扩大应用范围。

1.4基础研究尚处于起步阶段。微机电系统是多学科交叉的科学前沿新领域,基础理论还处于探索和发展阶段,研究还很不充分,甚至有一些还存在对立与矛盾,同时短期内建立一套完整的、科学的理论体系不是很现实。

2 教学内容中重点的选取

《微机电系统》课程教学内容主要包括:基础理论、微机械制造技术、微机械的计算机辅助设计、主要的微机电系统(微传感器、微操作器、生物芯片等)的应用等。其先修课程包括了如物理、化学、机械设计、流体力学、电工学、电机学、非金属材料和工程力学等,其部分内容在先修课程中有所涉及,但往往不够深入和全面。《微机电系统》课程属于专业选修课,以介绍微机电基础理论、研究进展和实际应用为主要目的。大体按照设计-制作-产品-应用的体系讲授,防止知识系统的断裂和缺失,但由于学时少,在追求整体上系统性的基础上,又要避免与其它课程讲授内容的重复。《微机电系统》课堂教学内容的精选应从广度和深度的统一、基础和前沿兼顾、理论联系实际、新旧内容的衔接等方面考虑[2]。

在《微机电系统》课程的教学改革过程中,我们就是要根据微机电系统的特点,在做好与先修课程的衔接的基础上力争做到重点突出。在教学内容选取过程中,在以下几个方面做了一些探索。

2.1微机电系统体积小型化带来的最直接的基础理论是就是尺寸效应问题。所谓尺寸效应是指当物体的尺寸L改变时,各种物理量比例于Ln而变化的现象。体积或质量比例于L3,惯性力和黏性力分别比例于L4和L2。 当L变小时,惯性力相对减小,而黏性力相对增大。因此,很小的物体运动时摩擦问题不容忽视,尤其在流体中存在着很大的粘性阻力。对于固体的固有振动频率而言,它与L成反比例变化,这意味着L愈小响应速度愈快。另外,热传导量比例于L,这意味着微观领域较利于散热。由于微机电系统体积小、质量小,它产生的力和积蓄的能量也很小。当一个微操作器产生的力很小不能满足要求时,往往在同一硅片上集成很多相同的单元,单元之间协调工作,这样可获得较大的力。这些问题是与在讲授普通机械时有很大的不同,要重点讲解微构造的机械、振动、热、摩擦特性以及微构造的驱动原理,使学生可以尽快的转换思维。

2.2微机电系统加工工艺是在传统硅加工工艺基础上结合其它工艺逐步发展起来的,一般机械类专业对这些制造技术涉及较少,课堂上重点讲解硅及其衍生物的制备、刻蚀、改质技术和微结构的结合过程中的各种键合技术。目前国内外对微机电系统的研究尚处在基础研究、探索和实验阶段,可以在课堂上讲授一些常见的做法,还要积极引导学生通过查阅文献和网络检索了解微机电系统的研究方向和研究进展,特别是一些智能结构的设计、制造技术等。

2.3微机电系统作为一个新兴的技术,应用十分广泛,并且随着研究的深入,应用范围将继续扩大。课程中重点讲解目前应用最广的微传感器和微操作器。微传感器是一种基于半导体工艺技术的新一代传感器器件,它应用新的工作机制和物化效应,采用与标准半导体工艺兼容的材料,用微细加工技术制备的。重点介绍微传感器的微型化、智能化、低功耗、易集成等特点和常用器件。如:微陀螺仪、微加速度计等。

在微机电系统中,微操作器作为可动部分,是实现微机械各种运动的关键部件,是微机电系统中最重要的环节,在课程讲授中要重点讲解,特别是现在应用较广的静电型、电磁型、压电型、热膨胀型、磁致伸缩型、气动型微操作器的工作原理和动作特点。

2.4微机电系统是伴随科技迅猛发展而产生的一门新技术,教师在授课过程中,重要的是讲应用和进展,而不是讲结论,一切先入为主的知识与判断都不太好,要留给学生想象和怀疑的空间,引导学生通过各种途径了解它的进展,大胆提出问题。如机械微型化时的微、微流体力学和质量减少时表面摩擦力引起的非线性控制等等。

3 一点体会

多年的教学实践告诉我们,孤立的进行一门课程的建设往往得不到很好的效果,《微机电系统》课程的建设也会对相关课程的改革起到促进的作用,可以在相关课程的建设过程中,舍去过时、重复、僵化的知识,适当增加微机电的基础理论知识,对于开阔学生视野、丰富知识面、培养创新型人才有积极意义。只有把《微机电系统》课程同其它先修课程作为一个课程群来建设,注意与相关课程建设的互相促进,才能收到事半功倍的效果。

4结束语

微机电系统在设计、制造和控制等方面涉及许多科学技术领域,在课程讲授时一定要根据本课程的特点,突出重点,讲清难点,优化课堂教学内容,对教学内容进行合理的整合和筛选,既要自成体系,又要避免与其它课程内容重复,注意与相关课程建设的互相促进。

参考文献

[1]李德胜,MEMES技术及其应用[M].哈尔滨工业大学出版社2002年.

[2] 刘玉芹 等.《纳米材料》课程教学内容与教学方法探索[J].中国科技信息,2008(3):210-211.