1 OPISY KURSÓW • Kod kursu: MCD5101 • Nazwa kursu
Transkrypt
1 OPISY KURSÓW • Kod kursu: MCD5101 • Nazwa kursu
OPISY KURSÓW Kod kursu: MCD5101 Nazwa kursu: Mikrosystemy (MEMS) Język wykładowy: polski Forma kursu Tygodniowa liczba godzin ZZU * Semestralna liczba godzin ZZU* Forma zaliczenia Punkty ECTS Liczba godzin CNPS Wykład Ćwiczenia 2 Laboratorium 1 30 15 egzamin ocena 2 2 Projekt Seminarium Poziom kursu (podstawowy/zaawansowany): podstawowy Wymagania wstępne: bez wymagań wstępnych Imię, nazwisko i tytuł/ stopień prowadzącego: Jan A Dziuban, prof. zw. dr hab. inż. Imiona i nazwiska oraz tytuły/stopnie członków zespołu dydaktycznego: Paweł Knapkiewicz, dr inż., Rafał Walczak dr inż. oraz doktoranci Rok: ...3......... Semestr:.......5................. Typ kursu (obowiązkowy/wybieralny): obowiązkowy Cele zajęć (efekty kształcenia): Celem zajęć jest wykształcenie studenta w zakresie podstaw techniki mikrosystemów. Jako efekt kształcenia student powinien rozumieć budowę, działanie, wytwarzanie i zastosowanie mikrosystemów MEMS, MEOMS, czujników mikromechanicznych, mikromaszyn i mikrosystemów fluidycznych. Forma nauczania (tradycyjna/zdalna): tradycyjna Krótki opis zawartości całego kursu: Rynek, ekonomia, aplikacje i rozwój, podstawowe definicje, wprowadzenie do techniki mikrosystemów i innych pochodnych miniaturowych urządzeń i czujników. Materiały dla mikrosystemów i ich właściwości. Mikroelektroniczne podstawy techniki mikrosystemów oraz specyficzne procedury mikroinżynieryjne. Nie-mikroelektroniczne metody obróbki mikromechanicznej dla techniki mikrosystemów (LIGA, MOLD, techniki stereograficzne, obróbki precyzyjne mikro i nano). Przegląd mikromechanicznych konstrukcji krzemowych, ceramicznych, metalowych i innych. Montaż i obudowanie mikrosystemów. Przegląd mikrosystemów; czujniki mikromechaniczne, urządzenia mikrooptyczne, urządzenia mikrofluidyczne, mikromaszyny, systemy bio-medyczne typu lab-chip. Przemysłowe zastosowanie mikrosystemów. Wprowadzenie do nanoinżynierii dla mikrosystemów, przykłady trójwymiarowych nanostruktur mechanicznych i nanosystemów. Przyszłość 1 mikrosystemów. Wpływ na rozwój techniki. UE i Polska w globalnym rozwoju mikrosystemów. Wykład (podać z dokładnością do 2 godzin): Zawartość tematyczna poszczególnych godzin wykładowych Liczba godzin 1. Zakres kursu, definicje, rola techniczna i cywilizacyjna,, rynek mikrosystemów, 2 rys historyczny, przykłady aplikacji w technice, rdzeń mikroelektroniczny, specyfika obróbki 3-D w technice mikrosystemów. Relacja mechatronika-technika mikrosystemów 2. Krzem oraz inne materiały dla techniki mikrosystemów oraz ich właściwości wy2 korzystywane w mikrosystemach. Podstawowe techniki planarne, wstęp do mikroobróbki przestrzennej. Głęboka i płytka obróbka mikromechaniczna. 3. Monokrystaliczny krzem i jego obróbka przestrzenna. Podstawowe jednowar2 stwowe krzemowe konstrukcje mikromechaniczne i ich zastosowanie (membrany płaskie i profilowane, belki, układy z masą sejsmiczną etc.). 4. Metody spajania materiałów twardych; DFB, smart-cut, SOI, LTB, RTB, AB. 2 Wielowarstwowe twarde konstrukcje mikromechaniczne: krzemowe, krzemowoszklane i podobne. 5. Obróbka i spajanie materiałów miękkich: foil-bonding, technika repliki i transferu, 1 technika MOLD i wyciskania na gorąco, konstrukcje mikromechaniczne wytworzone z zastosowaniem tych metod 6. LIGA, selektywne mikro-elektro osadzanie, obróbki laserowe, erozyjne, selek2 tywne osadzanie 3-D metodą elektronowo i laserowo wspomaganego procesu CVD, technika LTCC w mikro- i nanoinżynierii krzemu, szkła, ceramiki i metali. Mikroi nanokonstrukcje wytwarzane tymi metodami 7. Metody wzbudzania i detekcji ruchu w mikro konstrukcjach mechanicznych. Mi2 kroaktuatory liniowe i obrotowe. Przetworniki pojemnościowe wielopalczaste i ich wykorzystanie w czujnikach aktuatorach. Czujniki wielkości mechanicznych z elementami ruchomymi (przyspieszenie, siła, przemieszczenie, wibracje, etc.). Mikromaszyny, mikronarzędzia, mikroroboty 8. Mechano-elektroniczne przetworniki piezorezystywne i ich wykorzystanie 2 w mikrosystemach; efekt piezorezystywny w krzemie, piezorezystory monolityczne w mostku Wheatstone’a na membranie płaskiej, typu boss, belkach z masami sejsmicznymi, etc. Właściwości metrologiczne, ograniczenia technologiczne i aplikacyjne 9. Mikromechaniczne, membranowe, piezorezystancyjne czujniki ciśnienia; kon2 strukcja i wytwarzanie, rola szkła podłożowego, obudowane czujniki ciśnienia, cechy metrologiczne czujników, kompensacja i normalizacja czujników, współpracujące układy elektroniczne. Przegląd producentów i zastosowania w technice 10. Piezorezystancyjne, mikromechaniczne czujniki wibracji, przemieszczenia 2 i przyspieszenia. Przegląd konstrukcji, i parametrów. Producenci i wykorzystanie techniczne czujników 11. Wstęp do mikrosystemów fluidycznych: właściwości przepływu w mikroskali: 2 EHF, EOSF, dozowanie i mieszanie, ogniskowanie przepływu. Konstrukcja i technologia wybranych chipów mikrofluidycznych, układy jedno i wielo kanałowe. Zarządzanie mikroprzepływem: mikrozawory, mikroprzepływomierze. Mikrofluidyka wysokich ciśnień, „komputery fluidyczne”. Techniczna aplikacja mikrosystemów fluidycznych 2 12. Analityczne laboratoria zintegrowane: zintegrowane chromatografy gazowe dla motoryzacji, przemysłu paliw i ochrony środowiska. Mikroreaktory chemiczne i biochemiczne. Laboratoria na chipie dla medycyny; chipy DNA, mikrocytometria, chipy proteomiczne 13. Mikrosystemy w motoryzacji: rys historyczny, przegląd rozwiązań i zastosowania (silnik i napędy, zawieszenie, komfort i bezpieczeństwo, ochrona środowiska), producenci, rynek 14. Mikrosystemy w technikach wojskowych, aeronautycznych i kosmicznych: Inteligentne autonomiczne systemy nowoczesnego pola walki i ochrony siły żywej. Mini i mikro samoloty. Inteligenta amunicja. Mikroroboty. Nano- i pikosatelity oraz inne urządzenia kosmiczne 15. Mikrosystemy dla informatyki i telekomunikacji. Mikrosystemy z zasilaniem rozproszonym (micro-energy harvesting), mikrogeneratory i ogniwa paliwowe 16. Tendencje rozwojowe. Firmy wykorzystujące mikrosystemy w bieżącej produkcji urządzeń powszechnego użytku; prace krajowe lub ze znaczącym udziałem partnerów z Polski. Gdzie szukać pracy jako mikromechatronik 17. Kolokwium zaliczające Ćwiczenia – zawartość tematyczna: nie dotyczy Seminarium – nie dotyczy 2 2 2 1 1 1 Laboratorium – zawartość tematyczna: Studenci wykonują samodzielnie (pod kontrolą prowadzących) konstrukcję mikromechaniczną zawierająca zintegrowany 3-D element krzemowy (do wyboru: membrana płaska, membrana bossed, belki, chipy z mikrokanałami) a następnie testują wytworzone elementy. Poszczególne sesje laboratoryjne to: 1. Demonstracja różnorodnych mikrosystemów oraz czujników i mikrosystemów wytworzonych na potrzeby aplikacji technicznych i medycznych oraz wizyta (łącznie ze zwiedzaniem i pokazem operacji technicznych) w specjalizowanym laboratorium mikroinżynierii krzemu i szkła MEMS-Lab WEMiF Politechniki Wrocławskiej (bud. M6) 2. Dobór podłoży krzemowych, masek fotolitograficznych, wytworzenie maski tlenkowej na podłożu i jej fotolitografia – uformowanie okna do głębokiej mokrej obróbki mikromechanicznej. Kontrola jakości 3. Obróbka mikromechaniczna podłoża krzemowego: Głębokie trawienie krzemu metodą anizotropową, pokaz różnicy między tym trawieniem a trawieniem izotropowym, uformowanie struktur mikromechanicznych 3-D. Kontrola jakości 4. Wytworzenie struktury wielowarstwowej: Bonding anodowy podłoża krzemowego ze strukturami mikromechanicznymi 3-D do podłoża szklanego Pyrek. 5. Testy gotowego elementu: a) Ocena jakościowa (błędy wykonania, geometria, powtarzalność) b) Ocena ilościowa; - dla struktur z membranami: charakterystyka siłowa i częstotliwościowa, ugięcia graniczne, siły niszczące, praca ciśnieniowa, etc.); - dla struktur z mikrokanałami charakterystyka przepływów, badanie mikromieszania i dozowania, określenie frontu przepływów. Projekt – zawartość tematyczna: nie dotyczy Literatura podstawowa: Jan Dziuban, Bonding in Microsystem Technology, New-York – Berlin, Springer 2006, 3 Jan A Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych dla techniki mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004. Literatura uzupełniająca: Czasopisma naukowe z dziedziny: Journal of Micromechanics and Microengineering (IOP), Sensors and Actuators (Elsevier) w zasobach BG, BI-W12 i w zasobach internetowych dostępnych on-line. Warunki zaliczenia: uzyskanie pozytywnych ocen z egzaminu oraz wykonanie wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych (z zaliczeniem na ocenę) * - w zależności od systemu studiów 4