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.


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)


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


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/-


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.


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

.


7/9

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


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.


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

mems design

Documents