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
2
2
2
1
1
1
Ćwiczenia – zawartość tematyczna: nie dotyczy
Seminarium – nie dotyczy
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
DESCRIPTION OF THE COURSES
Course code: MCD5101
Course title: Microsystems (MEMS)
Language of the lecture: Polish
Course form
Number
of hours/week*
Number
of hours/semester*
Form of the course
completion
ECTS credits
Total
Student’s
Workload
Lecture
Classes
Laboratory
2
1
30
15
Egzam
Mark
2
2
Project
Seminar
Level of the course (basic/advanced): basic
Prerequisites: No
Name, first name and degree of the lecturer/supervisor: Jan A Dziuban, prof. zw. dr
hab. inż.
Names, first names and degrees of the team’s members: Paweł Knapkiewicz, dr inż.,
Rafał Walczak, dr.inż. and PhD students
Year:......3.......... Semester:..........5............
Type of the course (obligatory/optional): obligatory
Aims of the course (effects of the course): The main goal is education of students in
the field of fundaments of microsystem technique. As an effect of course students
have to understand construction, work, technology and application of different kinds
of microsystems: MEMS, MEOMS, micromachines and microfluidic devices.
Form of the teaching (traditional/e-learning): traditional
Course description: Markets, economic niche, applications and development, definitions, introduction to microsystem technique, other microminiaturized devices and
4
sensors. Materials for microsystems and their properties. Microelectronic fundaments
of microsystems. Specific microengineering procedures. Non-microelectronic methods
of micromachining of microsystems (LIGA, MOLD, stereo lithographic techniques,
another precise methods in micro and nano scale). Microsystems made of silicon, ceramic, metals, etc. Packaging of microsystems. Review of microsystems, sensors, microoptics, microfludics, micromachines, biomedical microsystems and lab-on-chips.
Industrial applications. Short introduction to nano engineering, review of 3-D nanostructures and nanosystems. Future of microsystems and their influence on a technique. UE and Poland in the global microsystems development.
Lecture:
Number of
hours
1. Course contents. Definitions, positions in technique and civilization, market,
2
history, application examples, microelectronic base of microsystems, three dimensions (3-D) in microsystem technique. Relation mechatronic-microsystems.
2. Silicon and another materials, their properties useful in microsystem tech2
nique. Basic planar techniques, introduction to 3-D micromachining, deep and
surface micromachining.
3. Single crystal silicon and its deep micromachining. Basic micromechanical
2
constructions (membranes flat and profiled, beams, constructions with seismic
mass, etc.): fabrication, properties and application in microsystems.
4. Hard bonding in microsystems technique: DFB, smart cut, SOI, LTB, RTB,
2
AB. Sandwiched hard micromechanical constructions made of silicon, silicon
and glass and another materials.
5. Soft bonding: foil bonding, replica and transfer bonding, MOLD and hot em1
bossing. Hard-soft and soft micro constructions and their applications in microsystems
6. LIGA, electro deposition, laser induced machining, erosion, selective stereo
2
electron or laser beam CVD, LTCC in micro and nano engineering of silicon,
glass, ceramic and metals. Examples of micro and nano constructions and their
applications in the microsystem technique.
7. Actuation and detection of move in micro-scaled mechanical constructions.
2
Linear and rotating micro actuators. Comb-drive structures for sensors and actuator. Physical sensors with moving microconstructions. Micromachines, microtools, microrobots.
8. Mechano-electric piezoresistive transducers. Piezoresistivity in silicon. Mono2
litic piezoresistors in the Wheatstone’s bridge on flat and bossed membranes,
beam(s) with seismic mass etc. Metrological properties, technological and application limits.
9. Micromechanical piezoresistive membrane silicon pressure sensors; construc2
tion and technology, role of glass substrate, packaged sensors, metrological properties, compensation and normalization, electronic circuits. Types, producers,
technical applications.
10. Piezoresistive micromechanical sensors of force, vibration, move, accelera2
tion. Constructions and parameters. Producers and applications.
11. Introduction to microfluidics. Flow in a microscale; EHF, EOSF, dosing,
2
mixing, hydrodynamic mirror. Construction and technology of different chanParticular lectures contents
5
neled chips. Flow maintaining; valves, flow-meters. High-pressure microfluidics.
Fluidic computers. Technical applications of microfluidic microsystems.
12. Micro Total Analysis: Integrated gas chromatographs in automobile industry,
energy and fuel industry, environment protection. Microreactors for chemistry
and biotechnology. Medical lab-on-chips; DNA chips, proteomic chips, microcytometric chips.
13. Microsystems in automobiles: History, solutions and applications (engine and
transmition, suspension, comfort and safety, environment protection). Manufacturers, market.
14. Microsystems in military, aviation and aeronautic and space industry. Intelligent autonomous battle field and life protection microsystems. Mini and micro
UAV. Microrobots. Intelligent munitions. Nano-picosatellites, jet propulsion in a
microscale. Deep spac –probes. Another space oriented microsystems.
15. RF microsystems. Microsystems in informatics and telecommunication.
Energy harvesters and generators in a microscale.
16. Future of microsystems. Mass producers utilizing microsystems as key components. Poland and EU in a global microsystems race. Where is a job for micromechatronic engineers?
17. Qualification work
2
2
2
1
1
1
Classes – the contents: not concerns
Seminars – the contents: not concerns
Laboratory – the contents: Students supervised by staff members do and test their own
silicon microsystems with 3-D micromechanical constructions (to be chosen: membrane flat or profiled, beams, channeled microfluidic device).
Particular laboratorial sessions include:
1. Demo of different microsystems for technical medical applications, visiting of the
specialized laboratory of microengineering of silicon and glass of WEMiF of PWr
(building M6).
2. Specification of silicon wafer, making of dielectric mask layer, photolitography of
wet etch windows. Quality controlling.
3. Deep wet anisotropic machining of silicon wafer. Demo of isotropic etch procedures. Quality controlling.
4. Fabrication of sandwiched structure: Anodic bonding of the processed silicon wafer
to Pyrex glass substrate.
5. Tests:
a) quality controlling (technological errors: etch-stop, misalignment, surfaces, crystal
defects), geometry, reproducibility,
b) parameters
- for membranes and beams: force, frequency, deflections, destructive limits, pressure
vs deflection characteristic etc,;
- for microchanneled structures: flow, mixing, dosing.
Project – the contents: not concerns
Basic literature:
Jan Dziuban, Bonding in Microsystem Technology, New-York – Berlin, Springer 2006,
Jan A Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych I
krzemowo-szklanych dla techniki mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2004
6
Additional literature: Scientific journals (in English) eg. Journal of Micromechanics
and Microengineering (IOP) Sensors and Actuators (Elsevier), Journal of MEMS
(IEEE). (available in BG, BI-W12 PWr and by internet).
Conditions of the course acceptance/credition: favourable marks of egzam and of all
of laboratorial sessions.
* - depending on a system of studies
7