discip-prog/dprog2 - Нано

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УТВЕРЖДАЮ
Начальник Управления образовательных
программ и стандартов высшего и среднего
профессионального образования
___________________ Г.К. Шестаков
«____» _____________ 2000 г.
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«КОМПОНЕНТЫ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ»
Рекомендуется Минобразованием России для специальности
201900 – «МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА»
направления подготовки дипломированного специалиста
654100 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
1. Цели задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины является формирование знаний о компонентах
микросистемной техники, базовых физических принципах их функционирования,
характеристиках, конструкциях и особенностях применения.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
2.1. Знать:
 классификацию компонентов микросистемной техники;
 физические принципы функционирования компонентов микросистемной техники;
 базовые конструкции и основные технические характеристики компонентов
микросистемной техники.
2.2. Уметь:
 анализировать особенности функционирования компонентов микросистемной
техники;
 осуществлять сравнение характеристик компонентов микросистемной техники и
определять область их рационального применения.
2.3. Иметь навыки:
 работы с отдельными компонентами микросистемной техники;
 определения
статических
и
динамических
характеристик
компонентов
микросистемной техники;
 применения компонентов микросистемной техники при создании технических
систем различного функционального назначения.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Всего
часов
180
102
68
17
17
78
25
53
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№
Раздел дисциплины
п.п.
Введение
1.
Сенсоры
2.
Актюаторы
3.
Миниатюрные
электрорадиомеханические
и
оптоэлектромеханические управляемые компоненты
4.
Микромеханизмы, микропривод, микромашины
5.
Аналитические микросистемы
6.
Технологические микросистемы
7.
Миниатюрные робототехнические системы
Заключение
Семестры
8
8
8
8
8
8
8
8
Зачет,
экзамен
Лекции
ПЗ
ЛР
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
-
*
*
*
-
4.2. Содержание разделов дисциплины
 Введение
История возникновения и развития элементной базы микросистемной техники.
Классификация компонентов микросистемной техники по функциональному назначению и
принципу действия. Базовые конструкции и обобщенное описание компонентов
микросистемной техники.
*
1. Сенсоры
Классификация сенсоров: назначение, вид преобразования, условия эксплуатации.
Характеристики сенсоров: диапазон измерения, чувствительность, точность, линейность,
селективность. Погрешности измерений: температурный и временной дрейф параметров,
шумы. Стандартизация и сертификация сенсоров.
Микромеханические сенсоры. Механические конструкции: объемные, мембранные,
балочные, струнные. Виды преобразователей: пьезоэлектрические, тензорезистивные,
емкостные. Датчики на основе микромеханических преобразователей: давления, расхода,
пульсаций, смещения, силы, ускорения, крена, микрогироскопы, микрофоны.
Термоэлектрические
сенсоры.
Терморезистивные,
термоэлектрические,
термомеханические, пироэлектрические преобразователи. Датчики: температуры, потока,
уровня жидкости, вакуума; термопары, анемометры, болометры, термисторы,
кондуктометры.
Оптические сенсоры: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотосчетчики.
Датчики: светового потока (энергетические, спектральные), оптического поглощения,
смещения, положения.
Магнитоэлектрические сенсоры: индуктивные преобразователи, магниторезисторы,
магнитотранзисторы; датчики магнитного поля.
Химические сенсоры: электрохимические, термокаталитические, адсорбционные
преобразователи; датчики состава жидкостей и газов; датчики влажности.
Биологические сенсоры.
*
2. Актюаторы
Микромеханические
приводы
движения:
пьезоэлектрические,
емкостные,
термомеханические,
электромагнитные,
пневматические
актюаторы.
Устройства
микросмещения, микропозиционирования, , микрозахвата. Микро- и наноманипуляторы.
Термоактюаторы: микронагреватели, микрохолодильники.
Микроизлучатели: микроглабары, светодиоды, полупроводниковые лазеры.
 3.
Миниатюрные
электрорадиомеханические
и
оптоэлектромеханические
компоненты.
Управляемые микроэлектрорадиокомпоненты: резисторы, конденсаторы, катушки
индуктивности, микроантенны; микроэлектромеханические и микропневматические реле и
коммутаторы.
Управляемые оптоэлектромеханические микрокомпоненты: резонаторы, зеркала,
линзы, затворы, фильтры; оптопереключатели.
Микроустройства обработки, хранения и записи информации: оптомеханические и
интегрально-оптические схемы, микродиски.
 4. Микромеханизмы, микропривод, микромашины.
Микромеханизмы: механические зубчатые и фрикционные микропередачи,
микрорычаги, муфты.
Микросистемы для генерации и преобразования энергии и движения:
электростатические
и
электромагнитные
микродвигатели,
пьезодвижетели,
микроэлектрогенераторы, микротурбины, микросопла, пневматические и оптомеханические
микроприводы движения, микроприводы движения на эффекте "памяти формы".,
"интеллектуальные" конформные поверхности.
Микросистемы хранения и рекуперации энергии: микро- пружины и маховики,
микротеплоаккумуляторы.
 5. Аналитические микросистемы
Интеллектуальные и мультисенсорные системы: искусственный нос, искусственный
язык, мультисенсорные матрицы.
Миниатюрные
аналитические
приборы:
оптические
микроспектрометры,
микрохроматографы, микромасс-спектрометры.
Миниатюрные медико-биологические приборы: матричные и капиллярно-флюидные
микросистемы (чипы).
 6. Технологические микросистемы.
Компоненты
технологических
микросистем:
микроклапаны,
микронасосы,
микродозаторы, микросмесители, микросепараторы, микротранспортеры, микрореакторы.
Микро- и нано- инструмент: микросхваты, микроножи, микросверла, микрозонды.
Кластерные технологические микросистемы: микрохимические лаборатории, участки
микросборки, минифабрики.
 7. Миниатюрные робототехнические системы.
Миниатюрные автономные транспортные системы: наземные, воздушные,
космические. Мини-роботы для медицины и технической диагностики.
 Заключение
Интеграция компонентов микроэлектроники и микросистемной техники. Перспективы
развития и применения микросистем.
5. Лабораторные и практические занятия
5.1. Лабораторный практикум
№
№ раздела Наименование лабораторных работ
дисциплины
1
1
 Исследование характеристик полупроводниковых датчиков
температуры.
 Исследование характеристик тензорезистивного датчика давления
мембранного типа.
 Исследование характеристик емкостного микроакселерометра.
 Исследование датчиков магнитного поля.
 Исследование характеристик оптического датчика газовых сред.
 Исследование характеристик адсорбционных металлооксидных
датчиков газовых сред.
 Исследование характеристик ионоселективных РН-сенсоров.
2
2
 Исследование характеристик микромеханического актюатора
емкостного типа.
 Исследование
характеристик
пьезоэлектрическкого
микроактюатора.
 Исследование микромеханического привода на эффекте "памяти
формы".
 Исследование
характеристик
терморезистивного
"микронагревателя - излучателя"
3
3
 Исследование характеристик микроэлектромеханического реле.
 Исследование характеристик микромеханического управляемого
зеркала.
4
4
 Исследование работы электростатического микродвигателя.
5
5
 Исследование работы капиллярной флюидной аналитической
микросистемы.
6
6
 Исследование работы микронасоса.
 Исследование работы микрореактора.
7
7
—
5.2. Рекомендуемый перечень практических занятий
№
1
2
3
4
5
6
7
№ раздела Темы практических занятий
дисциплины
1
 Классификация и стандартизация компонентов микросистемной
техники.
 Сенсоры. Основные характеристики.
 Расчет базовой конструкции тензорезистивного преобразователя.
 Расчет базовой конструкции емкостного преобразователя.
 Сравнительный анализ сенсоров для измерения температуры.
2
 Сравнительный анализ пьезоэлектрического и емкостного
микроприводов.
3
 Расчет конструкции микроэлектромеханического реле.
4
 Сравнительный анализ мощности и КПД электростатического и
электромагнитного микродвигателей.
5
 Расчет
разрешающей
способности
микрофлюидной
аналитической системы.
6
 Расчет производительности и мощности микронасоса.
7
 Анализ массогабаритных и энергетических характеристик
микророботов.
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература
1. Виглеб Г. Датчики. М.: Мир, 1989.
2. Ж. Аш, П. Андре, Ж. Бофрон и др. Датчики измерительных систем: В 2-х книгах. Пер. с
франц. М.: Мир, 1992.
3. Ваганов В.И. Интегральные тензопреобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1983.
4. К. Брандли
Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. с англ. М.:
Энегроатомиздат, 1991.
5. Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерения физических величин.
Л: Энергоатомиздат, 1983.
б) дополнительная литература
1. Агеев О.А., Мамиконова В.М., Петров В.В. и др. Микроэлектронные преобразователи не
электрических величин: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
2. К.Б. Классен Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной
технике. М: Постмаркет, 2000.
3. Источники и приемники излучения / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев и др. СПб:
Политехника, 1991.
4. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики М: Энергоатомиздат, 1993.
5. Лукьянов Д.П., Скворцов В.Ю. Микроэлектронные акселерометры инерциальных систем
навигации. СПбГЭТУ, 1999.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.
 Компьютерная база данных микросенсоров.
 Компьютерная программа моделирования микромеханических систем.
 Компьютерная программа моделирования термомеханических и термических систем.
 Компьютерная программа моделирования раскрытия и сжатия микроконструкции.
 Компьютерная программа моделирования пьезорезистивных элементов.
 Компьютерная программа моделирования электростатических элементов.
 Компьютерная программа моделирования микрооптических элементов.
 Компьютерная программа моделирования микрофлюидных капиллярных систем.
7. Материально-техническое обеспечения дисциплины.
 Лаборатория сенсоров:
 Стенд для измерения и испытаний датчиков температуры.
 Стенд для измерения и испытания датчиков давления.
 Стенд для измерения характеристик микроакселерометров.
 Стенд для исследования датчиков магнитного поля.
 Стенд для исследования газовых оптических сенсоров.
 Стенд для исследования газовых адсорбционных сенсоров.
 Стенд для исследования электрохимических сенсоров.
 Лаборатория микромеханизмов и микромашин:
 Стенд для исследования микромеханических приводов движения.
 Стенд для исследования микропневматических систем.
 Стенд для исследования термомеханических систем.
 Стенд для исследования оптомеханических микросистем.
 Лаборатория микроаналитических систем:
 Стенд для изучения работы микротермических систем.
 Стенд для изучения работы микрофлюидных систем.
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Для реализации целей и задач курса предлагается предусмотреть в программе
дисциплины курсовые работы. Требования к содержанию курсовой работы определяются
характером задачи по расчёту и изучению конкретного механизма, устройства прибора. В
курсовой работе должны быть отражены следующие вопросы:
 анализ основных характеристик и параметров объекта исследования и разработки;
 выбор и обоснование методов расчёта и исследования;
 расчет параметров, конструкции, обработка результатов исследования;
 графическое представление результатов расчета и исследований;
 анализ полученных результатов и их обобщение.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом
высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных
специалистов 6541.00 - "Электроника и микроэлектроника", специальность 201900
"Микросистемная техника".
Программу составили:
Корляков А.В.
Лучинин В. В.
Гридчин В.А.
-доцент С.-Петербургского государственного
электротехнического университета "ЛЭТИ"
-профессор С.-Петербургского государственного
электротехнического университета "ЛЭТИ"
- профессор Новосибирского государственного
технического университета
Программа одобрена на заседании Учебно-методического Совета по направлению
подготовки дипломированных специалистов 654.100 – «Электроника и микроэлектроника»,
__15 ноября 2000 г.__ протокол №__4___________
Председатель Совета УМО по образованию в области автоматики, электроники,
микроэлектроники и радиотехники, профессор
_______________________ Пузанков Д.В.