实验课出勤/实验结果检平时上课出勤查/实验报告/期中测试及表现（20%） （30%） 课程结业试题 课程最终理论/设计/总结报告 成绩 （50%） 上面表格为该课程最终成绩记入方法。
2013/2014学年 第2学期
《MEMS CAD》课程结业试题
学 院： 仪器与电子学院 班级及学号： 1106024234 姓 名：
胡修勇
本结业试题包括：
一、理论部分；
二、综合设计实验部分； 三、本课程主要内容总结报告。
理论试题部分 （40分） 综合设计实验仿真部分 课程总结报告 （40分） （20分） 总分 提交截止时间：2014年5月9日中午12：00点。
拟题教师：谭秋林 E-mail: tanqiulin@nuc.edu.cn
2014-4-10
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一、理论部分
1、按您的理解，请阐述运用ANSYS软件进行分析求解问题的基本步骤和思路。结合本专业，谈谈其在所学专业中的应用。 （10分） 2、分别阐述INTELLISUITE和 L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务。说明用INTELLISUITE软件分析仿真工程问题时的基本步骤。 （12分） 3、请阐述用完全法（Full）进行多步载荷下的工程问题的求解基本思路与方法。（8分） 4、按您的理解，请预测国内以及欧洲等发达国家在未来十年后MEMS CAD技术的发展情况，目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题。 （10分） 二、综合性设计实验：隧道式硅微加速度计的设计与仿真
图1 加速度计的尺寸结构图 图2 加速度计结构顶视图
题意：图为隧道电流式硅微加速度计的结构尺寸外型图，设计建立模型并求解。
该隧道电流式加速度计的结构设计参数主要有：质量块边长L，质量块厚度h，梁宽w，梁长Ld，梁厚d，打折梁长L0。这些结构设计参数的取值受到的主要限制有：
(1)现有硅制造工艺水平； (2)材料的钢度、强度； (3)加速度计量程。
初始尺寸： （单位：um）
质量块：正方形边长a=980、厚度c=90 悬臂梁：梁长L=1050、梁宽w=20、高d=25 打折梁长：L1=50，支撑柱高50(为了方便观测，值取的较大)，底座高150
求解： 1）建立隧道电流式加速度计模型及进行合理的网格划分； （10分）
2）对模型加载边界条件全约束和质量块150g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看
结构各部分的受力状况； （5分）
3）求解六阶模态，并在word文档中保存其前六阶模态云图； （5分）
4）采用完全法对加速度传感器模型进行瞬态分析。在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时间为25μs的冲击加速度，值为200g。将载荷分为50个子步，画出其隧尖的最大位移曲线。（10分）
5）用INTELLISUITE软件进行简单的工艺设计与仿真。 （10分）
三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告，报告的第一部分为本课程的主要内容总结，第二部分请您谈谈你对本课程学习的认识与体会，并举例微电子研究中的一些具体应用。
本题要求图片不能太大，该题总页数不能超过10页。 （20分）
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一、理论部分
1、按您的理解，请阐述运用ANSYS软件进行分析求解问题的基本步骤和思路。结合本专业，谈谈其在所学专业中的应用。（10分）
答：
(A)在具体问题中运用ANSYS进行分析求解：
①、分析问题描述，确定模型的框架，清楚如何建立模型，用自底向上和自顶向下的
方法；
②、运用适当的方法，建立实体模型，在模型建立前应对具体模型采用合适的方法； ③、进行网格化分，建立有限元模型。选择自由式网格划分或映射式网格划分。 ④、求解分析，首先对模型施加约束与载荷条件，然后求解分析，其中求解分析包括
静力学分析，模态分析以及瞬态分析等；
⑤、最后进行后处理，获得求解分析结果，并对其进行观察与分析。
(B) ANSYS在微电子学专业中的应用：
微机电系统(MEMS)是一门新兴的技术，具有非常广阔的应用前景，近些年来MEMS越来越受到各国的重视，我们学校的MEMS技术发展得较好。ANSYS具有强大的三维建模能力，而且ANSYS可以对各种物理场进行分析。除了常规的线性、非线性结构静力、动力分析之外还可以解决高度非线性结构的动力分析。ANSYS还有后处理功能，来进行观察分析结果。这对于MEMS的设计分析和应用都有着很大的帮助。利用ANSYS软件能很好的对微
加速度传感器等微型器件进行应力、结构、热、电磁、流场、声学变化分析。
2、分别阐述INTELLISUITE和 L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务。说明用INTELLISUITE软件分析仿真工程问题时的基本步骤。（12分）
答：
1）、INTELLISUITE微电子学专业中的作用和能完成的任务
IntelliSuite可提供从概念设计到产品制造MEMS的解决方案，可进行多物理量的分析，其模拟和分析模块使用户无须进入实际生产即可评估所设计器件的工艺可行性和工作性能。它的突出特点是将著名的开发工具与先进的流水相结合，使MEMS产品迅速走向市场。具有多项领先技术和首要发明创新。软件可广泛运用于MEMS各个环节，是设计、分析、模拟仿真传感器、加速度计、激励器、生物微流体芯片、射频开关以及光学MEMS器件的强大工具，还具有碳纳米管器件的设计、模拟仿真的功能。
2）、L-EDIT软件在微电子学专业中的作用和能完成的任务：
L-Edit是针对版图设计而编制的应用软件，具有高效率，交互式等特点，强大而且完
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善的功能包括从IC设计到输出，以及最后的加工服务，完全可以媲美百万美元级的IC设计软件。它允许生成和修改集成电路掩模版上的几何图形。用于MEMS版图设计，能完成集成电路设计、模拟验证、版图编辑和自动布局布线的任务，可以分层设计。同时它也可以模拟工艺过程。
3）INTELLISUITE软件分析仿真的步骤：
①工艺设计：包括硅片的加工、玻璃片的加工以及键合/封装工艺； ②工艺仿真：用mask创建掩膜图形，用IntelliFab进行工艺仿真。
a.定义一个硅片；b.清洗干燥；c.淀积一层SiO2；d.甩胶；e.显影，前烘；f.刻蚀SiO2；g.刻蚀硅片；h.清洗所有光刻胶；i.刻蚀掉全部的SiO2。
3、请阐述用完全法（Full）进行多步载荷下的工程问题的求解基本思路与方法。（8分）
答：一个载荷步是指对边界条件和载荷选项的一次设置。 1）多次求解方法:
A.设置第一个载荷步并存盘；
b.进行求解；
c.不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘；
d.进行求解；
e.不要退出求解器，继续进行步骤3和步骤4直到所有的载荷步完成；
f.进行后处理
2）载荷步文件方法：
当用户想离开计算机时，使用此方法求解多重载荷步是很方便的
程序将每个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为jobname.sxx（sxx为载荷步号），然后使用一条命令，读进每个载荷步文件并开始求解
a.定义第一个载荷步； b.将边界条件写进文件
Main Menu: Solution>-Load Step Opts- Write LS File (jobname.sxx c.为了进行第二次求解按需要改变载荷条件； d.将边界条件写到第二个文件； e.利用载荷步文件进行求解
Main Menu:Solution >Solve>From LS Files (jobname.sxx)
4、按您的理解，请预测国内以及欧洲等发达国家在未来十年后MEMS CAD技术的发展情况，目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题。 （10分）
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答：
⑴国内以及欧洲等发达国家在未来十年后MEMS CAD技术的发展情况:
MEMS是多种学科交叉融合并具有战略意义的前沿高技术,以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。在国内外市场中MEMS的研究早已经成为重点研究的科技方向之一，MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析,这大大增加了设计参数选择的难度,常规分析计算已无法应付设计需求。当今计算机技术的进步使得CAD技术在器件设计中得到广泛的应用,2D和3D计算机绘图技术的发展使我们能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计,有限元技术的应用使得我们可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能。对器件工作的静态、准静态和动态模拟成为可能。从而使我们能够对MEMS器件结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
⑵目前中国与欧洲等发达国家存在的差距和需解决的技术瓶颈问题：
我国MEMS起步晚，相对于发达国家而言我们仍是有差距，主要表现在设计能力以及加工水平上，不过这会随着我国科技的发展逐渐变小的。MEMS CAD技术先要求的是微米纳米级别的尺寸，这就要求我们不仅在软件上要有自己独立的软件，而不是用外国人研究的软件，因为在软件里面的协议都是外国人定的，这就限制了我们的设计在国外之后，这在开发软件上也是技术的瓶颈。在CAD封装和测试方面，MEMS和IC最大区别在于MEMS要与现实世界发生多方面的相互作用，涉及多种能量和物质的传输和处理，因此比IC要复杂得多，成为MEMS技术进一步发展的瓶颈。MEMS的可靠性和应用研究也是目前MEMS技术的难点。可靠性是MEMS器件使用者最关心的问题之一，粘附、杂质玷污以及加工中的残余应力，是目前MEMS中造型机械结构失效的主要原因。
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