2025年大學(xué)《分子科學(xué)與工程》專業(yè)題庫(kù)——分子科學(xué)與工程的微機(jī)械技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填入括號(hào)內(nèi)）1.微機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的主要特征通常不包括以下哪一項(xiàng)？A.尺寸在微米量級(jí)B.集成化程度高C.通常依賴宏觀力場(chǎng)工作D.可批量生產(chǎn)2.在微機(jī)械加工中，光刻技術(shù)最主要的作用是？A.刻蝕硅片表面B.在材料表面形成所需圖案的掩模C.將能量傳遞給工件進(jìn)行塑形D.實(shí)現(xiàn)不同材料之間的互連3.LIGA技術(shù)主要利用哪種材料作為光刻膠？A.普通的光刻膠（如KOH溶液）B.高分子聚合物C.重金屬膠體（如Au膠體）D.金屬有機(jī)化合物4.微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中，所謂的“微尺度效應(yīng)”主要指的是？A.零件易于磨損B.尺寸變小導(dǎo)致質(zhì)量顯著減輕C.表面能相對(duì)于體積能變得不可忽略D.材料的力學(xué)性能發(fā)生根本性改變5.以下哪種器件屬于典型的微傳感器？A.微反應(yīng)器B.微執(zhí)行器C.壓力傳感器D.微流體泵6.利用表面張力驅(qū)動(dòng)微流體在微通道中運(yùn)動(dòng)的技術(shù)通常稱為？A.電滲流B.毛細(xì)管作用C.離心力驅(qū)動(dòng)D.電磁驅(qū)動(dòng)7.將分子識(shí)別能力與微機(jī)械傳感相結(jié)合，可以構(gòu)成？A.基因測(cè)序儀B.高通量篩選平臺(tái)C.基于抗體/適配體的生物傳感器D.微型化合成反應(yīng)器8.在微機(jī)械制造中，鍵合技術(shù)主要用于？A.刻蝕圖案B.連接不同的微結(jié)構(gòu)或芯片C.濺射材料D.光刻前的掩模準(zhǔn)備9.與傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)相比，微機(jī)械系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)之一是？A.功率密度更高B.制造成本更低（對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)）C.可靠性更好D.不受熱耗散限制10.隨著尺寸進(jìn)入納米量級(jí)（NEMS），以下哪種物理現(xiàn)象的影響變得更為顯著？A.宏觀力學(xué)效應(yīng)B.量子隧穿效應(yīng)C.宏觀流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)D.金屬的延展性二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填入橫線上）1.微機(jī)械加工技術(shù)通常需要在高真空或特定氣氛環(huán)境下進(jìn)行，以防止____________________對(duì)加工過(guò)程的干擾。2.基于______________________原理的微傳感器，可以將物理量的變化轉(zhuǎn)換為電阻、電容或電感等電學(xué)參數(shù)的變化。3.在微機(jī)械系統(tǒng)中，為了克服微尺度下的低質(zhì)量效應(yīng)，常采用______________________結(jié)構(gòu)來(lái)提高剛度和穩(wěn)定性。4.____________是一種利用X射線光刻和化學(xué)蝕刻技術(shù)制造高深寬比微結(jié)構(gòu)的先進(jìn)方法，在微機(jī)械領(lǐng)域有重要應(yīng)用。5.分子自組裝技術(shù)在微機(jī)械制造中可用于______________________，如形成特定的微結(jié)構(gòu)或功能薄膜。6.微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的“6自由度”通常指物體在空間中可以進(jìn)行的____________________、俯仰和偏航三種運(yùn)動(dòng)。7.微反應(yīng)器因其____________________的特點(diǎn)，在化學(xué)合成、生物反應(yīng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。8.將分子識(shí)別元件（如抗體、DNA探針）固定在微機(jī)械傳感表面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定____________________的檢測(cè)。9.____________是指利用外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)液體在微通道中流動(dòng)的現(xiàn)象，是微流體技術(shù)的基礎(chǔ)之一。10.傳統(tǒng)的宏觀機(jī)械加工方法（如車削、銑削）難以直接應(yīng)用于微米尺度的制造，主要是因?yàn)槿狈线m的____________________工具和材料去除機(jī)制。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。請(qǐng)簡(jiǎn)要回答下列問(wèn)題）1.簡(jiǎn)述光刻技術(shù)在微機(jī)械制造中的基本流程。2.簡(jiǎn)述壓電效應(yīng)在微機(jī)械傳感器中的應(yīng)用原理。3.與傳統(tǒng)的宏觀器件相比，簡(jiǎn)述微機(jī)械執(zhí)行器的特點(diǎn)。4.簡(jiǎn)述分子自組裝技術(shù)在構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)。四、計(jì)算題（6分。請(qǐng)根據(jù)題目要求進(jìn)行計(jì)算）假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁式微機(jī)械質(zhì)量傳感器，其懸臂梁有效質(zhì)量為1mg，懸臂梁的彎曲剛度為0.1N/m。當(dāng)有質(zhì)量為10^-13kg的顆粒附著在懸臂梁的自由端時(shí)，求懸臂梁由于質(zhì)量增加而產(chǎn)生的靜態(tài)彎曲位移（忽略剪切變形和空氣阻尼影響）。已知懸臂梁長(zhǎng)度為100μm，且梁根部處的轉(zhuǎn)角等于梁端的位移。五、論述題（8分。請(qǐng)圍繞題目要求展開(kāi)論述）結(jié)合分子科學(xué)與工程的特點(diǎn)，論述微機(jī)械技術(shù)（MEMS/NEMS）在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用方向及其面臨的主要挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.C4.C5.C6.B7.C8.B9.A10.B二、填空題1.氧化或吸附2.應(yīng)變3.中空或填充4.LIGA5.微結(jié)構(gòu)制造或功能層構(gòu)建6.平移7.高通量、高精度、反應(yīng)可控8.分析物或生物分子9.電滲流10.微型化三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：描述光刻的核心步驟。首先是基板清洗和準(zhǔn)備；然后是光刻膠的旋涂和軟烘；接著是利用掩模版進(jìn)行曝光，使光刻膠曝光發(fā)生化學(xué)變化；隨后進(jìn)行顯影，未曝光部分的光刻膠被去除，留下所需圖案；最后是堅(jiān)膜和卸載光刻膠，在基板上留下圖形化的抗蝕劑層。此層用于后續(xù)的刻蝕等工序。2.解析思路：闡述壓電效應(yīng)原理及其應(yīng)用。壓電效應(yīng)是指某些材料（如壓電陶瓷、石英）在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面電荷，反之在施加電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生形變。在微傳感器中，利用壓電材料將待測(cè)物理量（如壓力、聲波）引起的應(yīng)力/應(yīng)變轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)（電壓或電荷）。3.解析思路：對(duì)比宏觀與微觀執(zhí)行器特點(diǎn)。微機(jī)械執(zhí)行器體積小、質(zhì)量輕，功耗低，響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)高精度定位，且易于集成。但通常功率輸出有限，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較低，對(duì)微環(huán)境（如振動(dòng)、灰塵）較為敏感。4.解析思路：說(shuō)明分子自組裝的優(yōu)勢(shì)。分子自組裝利用分子間作用力（如范德華力、氫鍵）自動(dòng)形成有序結(jié)構(gòu)，無(wú)需復(fù)雜的加工步驟和能量輸入，可實(shí)現(xiàn)低成本、大面積、高均勻性的微納米結(jié)構(gòu)制備。此外，可構(gòu)建具有特定功能的智能材料或器件。四、計(jì)算題解析思路：將附著質(zhì)量等效為懸臂梁自由端的集中力，利用梁的彎曲變形公式計(jì)算位移。懸臂梁受集中力F作用在自由端時(shí)，自由端的撓度（位移）w=Fl3/(3EI)，其中L為梁長(zhǎng)，E為材料的彈性模量，I為梁的截面慣性矩。在本題中，假設(shè)梁為矩形截面，I=b*h3/12（b為寬度，h為厚度），則w=4Fl3/(Ebh3)。題目中給出的是等效質(zhì)量m，需要利用等效關(guān)系m*α=F，其中α是等效因子，將質(zhì)量轉(zhuǎn)換為力。對(duì)于小質(zhì)量，α可以近似為重力加速度g。因此F≈mg。代入公式得w≈4(mg)L3/(Ebh3)。題目給出m=10^-13kg，g≈9.8m/s2，L=100μm=10??m。需要E和bh值才能最終計(jì)算。題目未給E、b、h，但提示根部轉(zhuǎn)角等于梁端位移，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)梁，此轉(zhuǎn)角很小，位移近似公式適用。假設(shè)已知E、b、h，則代入數(shù)值即可得結(jié)果。根據(jù)參考解答，假設(shè)E=170GPa=170*10?N/m2，b=h=2μm=2*10??m，則w=4*(10^-13kg*9.8m/s2)*(10^-?m)3/(170*10?N/m2*(2*10^-?m)3)=4*9.8*10^-21/(170*8*10^-1?)m=4*9.8/(1360)*10^-3m=0.289/1360*10^-3m≈2.12*10^-?m=21.2nm。最終結(jié)果為21.2nm。此計(jì)算過(guò)程展示了利用梁理論解決微機(jī)械質(zhì)量傳感問(wèn)題的思路。五、論述題解析思路：首先明確分子科學(xué)與工程的特點(diǎn)（涉及分子設(shè)計(jì)、合成、表征、自組裝、界面科學(xué)等）。然后列舉MEMS/NEMS在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，如微型化生物傳感器（用于疾病診斷、生物標(biāo)志物檢測(cè)）、微流控芯片（用于細(xì)胞分選、高通量篩選、微型實(shí)驗(yàn)室）、藥物遞送系統(tǒng)（微型泵或載體）、組織工程支架、植入式醫(yī)療設(shè)備（如微型化植入傳感器或刺激器）、手術(shù)工具等。接著分析面臨的挑戰(zhàn)，主要包括：生物相容性問(wèn)題（材料需無(wú)毒、無(wú)免疫排斥