ME 141B: The MEMS Class Introduction to MEMS and MEMS Design
Mems Design
-
Upload
muhammad-hanif -
Category
Documents
-
view
217 -
download
0
Transcript of Mems Design
-
7/23/2019 Mems Design
1/9
SULIT
UNIVERSITI MALAYSIA
PERLIS
Peperiksaan
Semester
Pertama
SidangAkademik 2013/2014
7 Januari 2014
EMT 463 M M S Design and Fabrication
[RekabentukMEMS dan Fabrikasi]
Masa:
3jam
Please make sure that this question paper has NINE 9) printed pages, including this front
page
before you start
the
examination.
[Sila pastikan kertas soalan ini mengandungi
SEMBILAN
f ) muka surat y ng bercetalc, termasuk muka
hadapan sebelum anda memulakan peperiksaan.]
This question paper has
SIX
6) questions. Answer any FIVE 5) questions only.
{Kertas soalan in i mengandungiENAM 6) soalan. Jawab
numa-mana
UMA 5) soalan sahaja.]
List of formulas is given in
APPENDIX
[Senarai bagi ormula diberikan
pada
LAMPIRAN.]
SULIT
Dicetak oleh Unit
Peperiksaan
Pengijazahan Sahagian Pengurusan Alcademik
Jabatan
Pendaftar.
-
7/23/2019 Mems Design
2/9
SULIT
Question
[Soalan I/
EMT463)
2
a) Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS) is the integration
of
mechanical
elements, sensors, actuators, and electronics on a common substrate through
microfabrication technology.
{Sistem Mikro-Elektro-Mekanikal MEMS) adalah integrasi elemen-eleme11 mekanikal, penderiu,
penggeralc, dan elektronik pad.a subs/rat biasa melalui teknologi fabrikasi mikro.]
i) Point out TWO 2) similarities between MEMS and integrated circuit IC).
[Tunjukkan DUA 2) persamaan antara MEMS dan litar terkamil IC).]
{ii) Differentiate between microsensor and microactuator.
[Beza/can antara penderia mikro dan penggerak mikro.j
{ Marks I Marleah)
2 Marks I Markah)
b) Scaling laws make engineers aware the physical consequences of scaling down
machines and devices.
[Hu/cum penska/aan membuatkan jurutera-jurutera menyedari kesan-kesan fizikal daripada
pengecilan mesin-mesin d n peranti-peranti.]
i) Point out THREE 3) advantages ofminiaturization in MEMS technology.
[Tunjukkan TIGA 3) kelebihan pengecilan dalam teknologi MEMS.]
3
Marks
Markah)
ii) Evaluate the relation
of
power density
to
the linear scale
by
using the
Trimmer force scaling factor. Given time, t .J 2xm)/
F
[Nilaikan hubungan ketumpatan /cuasa dengan ska/a lelurus dengan menggunakan a/cJor
penskalaan daya Trimmer. Diberi masa,
I
= 2xm) IF ]
c) Evaluate the angle between 110) and 111) plane.
{Nilaikan sudut di antara satah 110) d n 111).
Dicetak oleh Unit Peperi/aoan
Pengijazahan Bahagian
Pengurusan Akademik
Jabatan Pendaftar
.
{9 Marks I Markah)
4 Marks
I
Marleah)
-
7/23/2019 Mems Design
3/9
SULIT
Question 2
[Soalan2/
EMT463)
3
a) Single crystal silicon Si) is the most widely used substrate material for MEMS
and microsystems. Recommend
TWO
2) important characteristics ofSi.
[Silikon
Si)
hablur tunggal adalah bahan substratyang paling banyak digunakan untuk MEMS
dan mikrosistem. CadangleanDUA 2) ciri penting bagi Si.]
2 Marks Marleah)
b) Sacrificial LIGA is an integrated fabrication technology combining sacrificial
layer technique and LIGA SLIGA) technologies has been developed for
generating movable microstructures. Using SLIGA technique, sketch the cross-
section diagrams and summarize the fabrication process steps
to
form a
cantilever starting from
Figure
2.1.
[LIGA
korban merupalean teknologi fabrikasi bersepadu menggabunglean leknik lapisan korban
dan tekno/ogi LIGA SL/GA) te/ah dihangunlean untuk menghasilleanstrul
-
7/23/2019 Mems Design
4/9
SULIT (EMT463)
Question 3
/Soalan3/
4
(a) Based on
Figure
3.1, a bar of silicon is under an applied normal stress.
[Berliasarlcan
Rajah
3.1,
satu barsilikon
adalah
i
bawah kenaan tekanan normal.]
(i) Identify the type ofnonnal stress.
[Kena/pastilcanjenis tegasan normal.]
( 1 Mark I Markah
(ii)
Sketch the elongation of the bar and cross-section of the bar under
longitudal stress along the x-axis.
[Lakarlcan pemanjanga n
bar
dan keratan rentas bar di bawah tegasan membujur
sepanjang
paksi-x.]
(2 Marks I
Markah}
iii) Discuss the effects of stress on the axis ofx, y and z
{Bincangkan lcesan-kesan tegasan
p d paksi
x,
y dan z.]
(2 Marks
I Markah
_
Force. F
- - -
Force, F
Length, L
Figure 3.1
[Rajah3.l/
(b) Figure
3.2 shows a silicon cantilever beam with 200 m long, 10
wide and 40
m thick. The Young s modulus of he cantilever is 150 GPa.
[Rajah 3.1 menunjulckan suatu rasuk
julur
silikon dengan 200 m panjang 40 m lebar dan I 0
m tebal. Modulus Young bagi ulur ini adalah 150 GP
a
(i) Identify the type
of
spring connection
of
he beam and applied force on the
beam.
[Kenalpastikan
jenis
sambungan
spring
dan kenaan
daya
pada
rasuk
tersebut.]
(ii) Evaluate the moment of inertia.
[Kira/can momen inersia.]
Dicetak o/eh Unit Peperibaan Pengijazahan, Sahagian Pengurwan Akademik, Jabotan Pendaftar.
( 1 Mark I Markah
(2
Marks I
Markah
S/-
-
7/23/2019 Mems Design
5/9
SULIT
iii)
Evaluate
the
spring constant.
[Nilaikan pemalar spring.]
5
Figure 3.2
{Rajah3 2/
EMT463)
4 Marks
I
Markah)
c)
A
parallel plate capacitor is the most fundamental configurations
of
electrostatic
sensors and actuators.
[Satu kapasitor plat selari adalah lwnfigurasi yang paling asas bagi penderia dan penggerak
elelarostaJik.
i) With the aid of a parallel plate capacitor, analyze
the
forming of
electrostatic force between
the
plates.
[Dengan bantuan kapasitorplat selari, analisiskan pembentukan daya elektrostatik
antara plat-plat.]
4
Marks I
Markah)
ii)
By referring
Figure
3.3, discuss
the
pull in effect
of
parallel plate.
[Dengan merujuk Rajah 3.3, bincang/can kesan tarik masuk bagiplat selari.]
f I
Force Family of u r v ~ responding
to incrcas
of
bias voltage
4
Marks I Markah)
Spacing
betwn
two
platc s
Figure 3.3
{Rajah3 3/
Dicewk oleh
Unit
Pepertksaan Pengijazahan, Sahagian Penguru:san Akademilc, Jabat UI Pendqftar.
-
7/23/2019 Mems Design
6/9
SULIT
EMT
463)
6
Question
4
[Soalan 4/
a) Two types of comb-drive capacitor are transverse comb-drive and longitudal
comb- drive.
[Dua
jenis
pemuat pemacu-sesilcat adalah pemacu-sesilcat melintang dan pemacu-sesj/cat
membujur.]
i) Sketch and compare
the
principle operation for both comb-drive.
[Lakar dan banding/can prinsip operasi untuk kedua-dua pemacu-sesilcat.]
6 Marks
I Marleah)
ii) Recommend
TWO
2) strategies for increasing the sensitivity of capacitor.
[Syorlcan
DUA 2)
strategi untuk meningkatkan kepekaan
pada
pemuat.]
2 Marks I Mark.ah)
b)
The
measurement
of
temperature and heat can
be
achieved using different
principles such as thermal bimorph sensors, thermal couples and thermal resistive
sensors.
c)
{Pengulcuran suhu dan haba boleh dicapai dengan menggunakan prinsip-prinsip yang herbeza
seperti penderia himorph haba, terganding haba dan penderia rintangan haha.]
i) With the
aid of
suitable diagrams, analyze the principle of thermal
bimorph.
[Dengan hantuan gambarajah-gambarajah yang sesuai, analisiskan prinsip bimorph
haba j
6 Marks
I Mark.ah)
ii)
Thermal couples
must
involve two dissimilar materials. Defend your
answer.
{Pasangan haba mesti melibatkan dua bahan yang berbeza. Pertahankan jawapan
anda.}
iii) Point
out
TWO 2) functions of hermal couples.
[Tunjukkan
DUA
2) fungsi terganding haba.]
1 Mark
I Mark.ah)
2 Marks
I Mark.ah)
A thermal resistor
is
made
of
doped n-type silicon, with
the
nominal resistance,
o of
4 kO. Assume the TCR
of
he material is 150 ppmJC. Predict
the
resistance
of
he
device at temperature
60 c
above the ambient.
[Satu perintang haba dibuat claripada silikan didopkanjenis-n, dengan rintangan namaan,
o adalah 4 kQ Andaikan TCR bahan adalah 150ppmlC Ramalkan rintangan peranti pada suhu
60 C melebihi persekitaran.]
3 Marks
I Marleah)
Dicetalc
oleh
Unit
Peperiksaan Pengijazahan,
Bahagian
Penguruson
Alrademik
Jabatan
PendrJftar
.
-
7/23/2019 Mems Design
7/9
SULIT
Question
5
(Soalan
5}
EMT 463)
7
A square membrane with four piezoresistors is shown in Figure S.1. Resistors R1 and
R 1
are located
at
the mid points of wo edges. Resistors R1 and
R3
are located in the center
of he membrane. The size
of
the membrane, bis 150 m and the thickness, t = 4 m. A
pressure difference,
p
= I 0 mN is applied across the membrane. The Young s Modulus
for
the
membrane,
Eis
160 GPa and the gauge factor, G
of
the piezoresistors
are
120 for
a Wheatstone bridge circuit. Assume that
a=
0.0138,Pi= 0.3078 andP2= 0.1386.
[Sebuah membran segiempat
sama
dengan empat perintang-piezo ditunjulckan dalam
Rajah
5.1. Perintang
R
1
dan R-1 terletak
pada
titik tengah dua sisi memhran. Perintang R
1
dan
R
1
terletak i tengah membran.
Saiz membran, b ialah 150
m
dan /cetebalanny, t = 4
m
Beza tekanan, p=
JO mN
di/cenakan merentasi
membran. Modulus Young
bagi
membran, E ialah
160 GPa danfaktor
tolok, G bagi perintang' /}iezo ialah
120 untuk.litar
ejambat
Wheatstone. Anggapkan hahawa a = 0.0138, J
1
= 0.3078
dan J
1
= 0.1386.]
(a) Construct and label the Wheatstone bridge circuit that is extracted from Figure
5 1
[Bina dan label/can sebuah
litar ejambat
Wheatstone yang diekstrak daripada Rajah 5.1.]
(2 Marks I Markah)
(b) Evaluate the change in resistance for each of the resistor i R
1
=
3 kCl
and
R1
=
R
3
=
R-1=4k0
.
[Nilaikan perubahan rintangan bagi setiap perintangji/ca R
1
= 3
kn
dan R
1
=
R
3
= =
4
kn ]
(12 Marks I Marleah
(c) Evaluate the change
at
the output voltage,
L1
V
0
if
he
input voltage,
Vin=
5
V.
[Nilai/can perubahan bagi voltan /celuaran, LIV
0
sekiranya voltan masukan,
in
= 5
V.]
I
I
I
I
I
I
I
I
Ri : R3
I
I
a
Figure 5.1
[Rajah 5 1/
Dicetak oleh Unit Peperibaan Pengijazahan, Sahagian Pengurusan Akademik, Jahatan Pendaftar.
(6
Marks I Marleah)
b
-
7/23/2019 Mems Design
8/9
SULIT
Question 6
[Soalan 6
EMT463)
8
a) Piezoelectric materials are crystals. Illustrate and label the piezoelectric crystal
in
a rectangular system.
[Bahan piezoelektrik adalah hablur. llust rasi dan labelkan hablur piezoelektrik dalam satu sistem
segi empat tepat.]
b)
Point out
THREE
3) applications ofpiezoelectric thin film.
[Tunjukkan TIGA 3) aplikasi bagifilem nipis piezoelektrik.]
3 Marks
Markah)
3
Marks
Marleah)
c) Propose
FOUR
4) critical factors/considerations frequently encountered
in
MEMS packaging.
[Cadangkan EMPAT 4)
faktor
kritikal/pertimbangan
yang
kerap dihadapi dalam pembungkusan
MEMS.}
4 Marks Markah)
d) Recommend the suitable packaging solutions for pressure sensor in monitoring
blood pressure. Justify your answer with appropriate diagram by considering the
specifications of application, mechanism and cost.
[Syorkan penyelesaian-penyelesaian pembungkusan yang sesuai bagi penderia gas dalam
pemantauan tekanan darah. Justifi/rasikan
jawapan
anda beserta gambarajahyang sesuai dengan
mengambilkira spesi.fikasi bagi aplikasi, mekanisma dan kos.]
IO Marks
Marleah)
-ooOoo-
Dicetak
oleh
Unit
Peperiksaan Pengijazahan
Sahagian Pengurusan Akademik
Jabatan
Pendaftar.
-
7/23/2019 Mems Design
9/9
SULIT
9
APPENDIX
ff..1.MPIRANJ
3
ax value
d = -
3EI
3
Max
value d =
12E/
Wl
Max value
d =
9 EI
f tpb
2
T
~ 2
__
center - t
M
e -
R
EMT 463