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