MEMS設計課程教學方法研究

徐征+崔巖+劉沖+劉軍山+王大志+杜立群

摘要：MEMS設計是微機電教學中的重要內容，本文根據MEMS設計課程的特點，針對教學中突出對學生“工程應用和創新能力”的培養要求，結合多年實踐經驗，分析了以往教學中存在的不足，然后從教學內容構建、軟件工具選擇和互動的多媒體教學方法實踐等方面進行了改革性探索。采用本文提出的教學改進措施顯著提高了課程的教學效果。

關鍵詞：MEMS設計；教學方法；多媒體教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）12-0186-02

一、引言

微機電系統技術也稱為微機械（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System），是融合硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術設計和制作特征尺寸在微米量級的電子機械器件。微機電系統是集傳感、執行、信號處理和控制電路、接口等于一體的微型器件或系統。常見的產品包括微加速度計、微流控芯片、微馬達等。目前，全球制造技術創新、產業結構、發展環境正發生深刻變化，中國制造面臨著新的機遇與挑戰，而MEMS技術能服務于航空航天等諸多領域，具有巨大的經濟前景和積極社會意義。近年來，針對MEMS領域的巨大人才需求，高等院校陸續開設了適合高年級本科生和研究生學習的MEMS專業課程，MEMS設計教學是其中不可或缺的重要環節，目標是使學生掌握與MEMS設計相關的理論、版圖設計、有限元計算、數據分析等，能應用理論與方法獨立開展設計工作，培養符合現代MEMS設計所需的應用與創新能力。

二、問題分析

以往的MEMS課程對相關設計理論、方法、技術亦有一些介紹，但實踐環節較為薄弱。我國僅少數院校設有正規的MEMS專業，可借鑒的成熟教學模式少，我們在實踐中也陸續發現了一些問題：

1.教學重點確定。MEMS設計涉及知識點多，例如微流體力學、有限元等，都可以擴展為獨立課程。如何確定教學重點，在有限學時內將基本點講透徹，讓學生能確實掌握重點知識和有效開展實踐，是亟待解決的問題。

2.教材選擇。教材是教學過程中必不可少的工具，也是學生獲取知識的主要源泉，MEMS設計既涉及到多領域的基礎理論，同時也具有很強的實踐特征，需要學生能借助有限元等將理論應用到器件設計中，而目前國內的書籍或偏重概念和原理性的介紹，或是類似軟件使用說明書，難以找到能貫穿符合現代工程需要的由理論至實踐的設計類教材。

3.軟件實踐環節的具體實施。軟件實踐是開展MEMS設計教學不可或缺的環節，由于MEMS設計中往往涉及到多個物理場的耦合計算，需要選擇合適的教學軟件和教學實例，難度和工作量要適中，便于學生在短時間內熟悉基本操作，同時也要反映MEMS器件設計的特點，讓學生感覺到利用教學軟件逐步探究的樂趣。

三、教學方法改進

1.教學計劃和教案的構建。針對目前缺少合適教材的情況，教研組自行編制了適合高年級本科生和研究生的教案，如圖1所示，從種類繁多的MEMS器件中選擇了具有代表性的撓性微加速度計、微流控芯片、薄膜泵三類器件為對象。以器件的關鍵技術指標為牽引，建立科學的授課體系結構，優化整合教學內容，逐步引入理論基礎、關鍵技術、分析方法等。這三類器件的共性特點是：（1）能承載靜電學、流體力學、彈性力學、熱力學等基本理論；（2）拓撲結構相對簡單，利用不太密集的網格劃分就可以得到相對滿意的結果，學生能夠在有限時間內切實體會到多場耦合構建、網格劃分、計算格式、后處理等技巧，提高了學習效率；（3）便于逐次推進教學進程，有助于提高學生興趣，降低學習難度。

2.軟件平臺的選擇。目前，市場上有許多能夠用于MEMS設計的軟件，其中一些功能非常強大，包括了版圖設計、工藝仿真與優化等前后端模塊。考慮到實際需求，最終選擇Comsol軟件為工具，與其他軟件相比，雖然它在計算精度上略顯不足，但其具有適合于教學的獨有優勢：（1）提供靈活便捷的多場耦合平臺，多場耦合是MEMS器件的重要特點，而Comsol在提供了強大的耦合模塊的同時，也提供了從基礎模塊自行構建架構的方法；（2）軟件運行速度快、對硬件平臺要求不高，這使得借用公共機房就可以開展軟件實踐，并能在課堂有限時間內完成授課—實踐—答疑—總結的過程。（3）提供了大量案例庫，為課后學習提供了參考。我們還引入了AutoCAD等輔助軟件，以彌補單一軟件的不足。

3.互動的上機實踐教學模式。以往的授課中，教師在理論分析上耗費時間較多，雖然能夠從基礎理論到器件分析的各層面進行描繪。但受體裁制約，講授時間冗長，單元之間的前后關聯性過強，學生參與感差，教師則很難營造出活潑的互動教學氣氛。近年來，我們建立了多媒體互動教學的條件，以器件分類為根據，將教學內容聚焦為既有關聯又獨立的若干單元，每單元均包含理論簡介、案例講解、答疑、實踐操作等，而將冗長的理論推導過程舍棄或留給學生課下自學。下面以低濃度物質在微流道混合為例說明單元授課的具體實施方法：首先，簡要介紹微混合的應用背景和定量指標需求，解讀非穩態對流—擴散方程；然后借助Comsol軟件具體講解模型帶入、與流動模型的耦合、高階格式與低階格式的區別、Pe數約束條件，以及借助濃度分布圖等來分析結果等；再給出空白的幾何模型，讓學生根據要求獨立實踐；最后留出時間對共性問題答疑，并簡要介紹最新動態，提供文獻給學生課后擴展學習。

四、教學效果評估

1.通過學習后，學生普遍能夠將物理、化學、力學等基礎理論和軟件工具相結合，獨立解決MEMS器件耦合問題。以課后作業之一：“微混合器設計”為例：研究生經學習后，能獨立構思微混合器的結構，完成模型設計和網格劃分，然后將電場—流場—溶質分布結合進行耦合計算，實現性能評估等，最后提交設計報告，有些設計體現出相當的創意。

2.學生能夠在后續的畢業論文或創新實踐中自覺綜合Comsol軟件及其他工具，解決實際微機電工程設計問題，包括慣性組件散熱、點膠控制、微射流等問題，并在后續實踐中與教師保持長期互動。其中部分方案體現出很強的多場耦合特色，教師也能從相關領域汲取營養，對具體需求有更深入了解。不僅達到了學以致用的目標，也實現了“教學相長”。

3.課堂氣氛活躍，學生勇于提問、勤于思考和動手，向教師反映學習MEMS設計“很有趣”、“學到了知識”、“原來如此！”等，并從自身感受出發，提出改進教學的意見。

五、結語

在教學改革實施的過程中我們明顯感到，合理和科學的教學計劃和實施方法，既能引導學生逐步學習理論知識和掌握實踐方法，也能給他們充分發揮思維和想象力的空間，通過教學改革舉措，使教學質量得到明顯改善，有效提升了學生微機電工程設計方面的工程實踐和創新能力。

參考文獻：

[1]杜立群，王大志，崔巖，劉軍山，徐征，李經民.MEMS技術基礎課程教學方法的改革與實踐[J].教育教學論壇，2015，（16）：124-125.