MEMS设计课程教学方法研究

徐征+崔岩+刘冲+刘军山+王大志+杜立群

摘要：MEMS设计是微机电教学中的重要内容，本文根据MEMS设计课程的特点，针对教学中突出对学生“工程应用和创新能力”的培养要求，结合多年实践经验，分析了以往教学中存在的不足，然后从教学内容构建、软件工具选择和互动的多媒体教学方法实践等方面进行了改革性探索。采用本文提出的教学改进措施显著提高了课程的教学效果。

关键词：MEMS设计；教学方法；多媒体教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）12-0186-02

一、引言

微机电系统技术也稱为微机械（MEMS，Micro-Electro-Mechanical System），是融合硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术设计和制作特征尺寸在微米量级的电子机械器件。微机电系统是集传感、执行、信号处理和控制电路、接口等于一体的微型器件或系统。常见的产品包括微加速度计、微流控芯片、微马达等。目前，全球制造技术创新、产业结构、发展环境正发生深刻变化，中国制造面临着新的机遇与挑战，而MEMS技术能服务于航空航天等诸多领域，具有巨大的经济前景和积极社会意义。近年来，针对MEMS领域的巨大人才需求，高等院校陆续开设了适合高年级本科生和研究生学习的MEMS专业课程，MEMS设计教学是其中不可或缺的重要环节，目标是使学生掌握与MEMS设计相关的理论、版图设计、有限元计算、数据分析等，能应用理论与方法独立开展设计工作，培养符合现代MEMS设计所需的应用与创新能力。

二、问题分析

以往的MEMS课程对相关设计理论、方法、技术亦有一些介绍，但实践环节较为薄弱。我国仅少数院校设有正规的MEMS专业，可借鉴的成熟教学模式少，我们在实践中也陆续发现了一些问题：

1.教学重点确定。MEMS设计涉及知识点多，例如微流体力学、有限元等，都可以扩展为独立课程。如何确定教学重点，在有限学时内将基本点讲透彻，让学生能确实掌握重点知识和有效开展实践，是亟待解决的问题。

2.教材选择。教材是教学过程中必不可少的工具，也是学生获取知识的主要源泉，MEMS设计既涉及到多领域的基础理论，同时也具有很强的实践特征，需要学生能借助有限元等将理论应用到器件设计中，而目前国内的书籍或偏重概念和原理性的介绍，或是类似软件使用说明书，难以找到能贯穿符合现代工程需要的由理论至实践的设计类教材。

3.软件实践环节的具体实施。软件实践是开展MEMS设计教学不可或缺的环节，由于MEMS设计中往往涉及到多个物理场的耦合计算，需要选择合适的教学软件和教学实例，难度和工作量要适中，便于学生在短时间内熟悉基本操作，同时也要反映MEMS器件设计的特点，让学生感觉到利用教学软件逐步探究的乐趣。

三、教学方法改进

1.教学计划和教案的构建。针对目前缺少合适教材的情况，教研组自行编制了适合高年级本科生和研究生的教案，如图1所示，从种类繁多的MEMS器件中选择了具有代表性的挠性微加速度计、微流控芯片、薄膜泵三类器件为对象。以器件的关键技术指标为牵引，建立科学的授课体系结构，优化整合教学内容，逐步引入理论基础、关键技术、分析方法等。这三类器件的共性特点是：（1）能承载静电学、流体力学、弹性力学、热力学等基本理论；（2）拓扑结构相对简单，利用不太密集的网格划分就可以得到相对满意的结果，学生能够在有限时间内切实体会到多场耦合构建、网格划分、计算格式、后处理等技巧，提高了学习效率；（3）便于逐次推进教学进程，有助于提高学生兴趣，降低学习难度。

2.软件平台的选择。目前，市场上有许多能够用于MEMS设计的软件，其中一些功能非常强大，包括了版图设计、工艺仿真与优化等前后端模块。考虑到实际需求，最终选择Comsol软件为工具，与其他软件相比，虽然它在计算精度上略显不足，但其具有适合于教学的独有优势：（1）提供灵活便捷的多场耦合平台，多场耦合是MEMS器件的重要特点，而Comsol在提供了强大的耦合模块的同时，也提供了从基础模块自行构建架构的方法；（2）软件运行速度快、对硬件平台要求不高，这使得借用公共机房就可以开展软件实践，并能在课堂有限时间内完成授课—实践—答疑—总结的过程。（3）提供了大量案例库，为课后学习提供了参考。我们还引入了AutoCAD等辅助软件，以弥补单一软件的不足。

3.互动的上机实践教学模式。以往的授课中，教师在理论分析上耗费时间较多，虽然能够从基础理论到器件分析的各层面进行描绘。但受体裁制约，讲授时间冗长，单元之间的前后关联性过强，学生参与感差，教师则很难营造出活泼的互动教学气氛。近年来，我们建立了多媒体互动教学的条件，以器件分类为根据，将教学内容聚焦为既有关联又独立的若干单元，每单元均包含理论简介、案例讲解、答疑、实践操作等，而将冗长的理论推导过程舍弃或留给学生课下自学。下面以低浓度物质在微流道混合为例说明单元授课的具体实施方法：首先，简要介绍微混合的应用背景和定量指标需求，解读非稳态对流—扩散方程；然后借助Comsol软件具体讲解模型带入、与流动模型的耦合、高阶格式与低阶格式的区别、Pe数约束条件，以及借助浓度分布图等来分析结果等；再给出空白的几何模型，让学生根据要求独立实践；最后留出时间对共性问题答疑，并简要介绍最新动态，提供文献给学生课后扩展学习。

四、教学效果评估

1.通过学习后，学生普遍能够将物理、化学、力学等基础理论和软件工具相结合，独立解决MEMS器件耦合问题。以课后作业之一：“微混合器设计”为例：研究生经学习后，能独立构思微混合器的结构，完成模型设计和网格划分，然后将电场—流场—溶质分布结合进行耦合计算，实现性能评估等，最后提交设计报告，有些设计体现出相当的创意。

2.学生能够在后续的毕业论文或创新实践中自觉综合Comsol软件及其他工具，解决实际微机电工程设计问题，包括惯性组件散热、点胶控制、微射流等问题，并在后续实践中与教师保持长期互动。其中部分方案体现出很强的多场耦合特色，教师也能从相关领域汲取营养，对具体需求有更深入了解。不仅达到了学以致用的目标，也实现了“教学相长”。

3.课堂气氛活跃，学生勇于提问、勤于思考和动手，向教师反映学习MEMS设计“很有趣”、“学到了知识”、“原来如此！”等，并从自身感受出发，提出改进教学的意见。

五、结语

在教学改革实施的过程中我们明显感到，合理和科学的教学计划和实施方法，既能引导学生逐步学习理论知识和掌握实践方法，也能给他们充分发挥思维和想象力的空间，通过教学改革举措，使教学质量得到明显改善，有效提升了学生微机电工程设计方面的工程实践和创新能力。

参考文献：

[1]杜立群，王大志，崔岩，刘军山，徐征，李经民.MEMS技术基础课程教学方法的改革与实践[J].教育教学论坛，2015，（16）：124-125.