OPISY KURSÓW/PRZEDMIOTÓW:

OPISY KURSÓW/PRZEDMIOTÓW:
Kod kursu/przedmiotu
ETD 5013
Tytuł kursu/przedmiotu
Mikrosystemy 1
Imię, nazwisko i tytuł/stopień prowadzącego
Jan Dziuban, dr hab. inż
Imiona, nazwiska oraz tytuły członków zespołu dydaktycznego
Anna Górecka-Drzazga, dr inż.
Rafał Walczak, dr inż.
Forma zaliczenia kursu
Forma kursu
Wykład
Tygodniowa
liczba godzin
Forma
zaliczenia
3
Ćwiczenia Laboratorium Projekt
Seminarium
Liczba
punktów
3
kolokwium
Wymagania wstępne
Krótki opis zawartości całego kursu
Kompendium wiedzy na temat mikroinżynierii mikrosystemów wraz z przeglądem rozwiązań
konstrukcyjnych i dyskusją parametrów i zastosowań.
Omówione jest technologia trójwymiarowych mikromechanicznych podzespołów (struktur)
krzemowych, krzemowo-szklanych, metalowych i tworzywowych dla mikrosystemów, ze
szczególnym uwzględnieniem głębokiej i płytkiej obróbki mikromechanicznej i bondingu
krzemu i szkła, techniki LIGA, stereo-procesy optyczne i mechaniczne oraz procedury
formowania nanostruktur i nanomateriałów wykorzystywanych w technice mikrosystemów.
Omówiono budowę, działanie, parametry i zastosowanie najważniejszych mikrosystemów z
uwzględnieniem sensorów i aktuatorów, mikromaszyn i mikrorobotów, mikroinstrumentów
mechanicznych, i pomiarowych oraz wybranych mikrosystemów chemiczne. Wprowadzono
słuchaczy w zagadnienia nanosystemów ( Miliped, Multiinspec, nanoelektronika próżniowa).
Przedstawiono rynek producentów i aplikacji, główne programy badań UE, USA i Japonii,
rozwój usług oraz możliwości pracy w dziedzinie.
Wykład (podać z dokładnością do 2 godzin)
Zawartość tematyczna poszczególnych godzin wykładowych
Liczba godzin
1. Wstęp: definicje, zakres wykładu, rola techniki mikrosystemów, wybrane 2
przykłady.
2. Budowa krzemu monokrystalicznego, zależności geometryczne, rzuty 2
stereograficzne,
właściwości
mechaniczne,
termiczne.
Podłoża
mikromechaniczne, zasady trawienia głębokiego i płytkiego, anizotropia
procesów, przykłady prostych struktur mikromechanicznych.
3. Głęboka mikroobróbka krzemu: KOH, inne roztwory, dodatki, chemia
trawienia, parametry procesów, stop-dyfuzja, inne metody kontroli procesu,
trawienie elektrochemiczne, procedury specjalne i mieszane.
4. Podstawowe krzemowe konstrukcje mikromechaniczne: membrany, belki,
układy belek, otwory, ostrza, konfiguracje łączone; technologia, właściwości
mechaniczne, przykłady zastosowania w mikrosystemach.
5.1. Bonding nielektryczny: aktywacja i mycie podłoży, mechanizm
bondingu fuzyjnego, eutektycznego, zol-żel, HF/NaOH, foliowego.
5.2. Przykłady konstrukcji wielowarstwowych,. Naprężenia wbudowane,
kompensacja naprtężeń zagadnienia specjalne.
6. Bonding anodowy krzem-szkło, mechanizm bondingu, katody, warstwa
zubożona, techniki prowadzenia procesu, siła łączenia, wpływ parametrów na
jakość łączenia, proste struktury, przykłady zastosowania.
7.1. Bonding anodowy wielowarstwowy, mechanizm bondingu, wpływ
rodzaju materiałów i konfiguracji łączenia na przebieg i jakość bondingu.
7.2. Bonding równoczesny i kolejny, wygrzewanie, bonding drobnych detali,
bonding próżniowy, specjalne techniki bondingu. Przykłady zastosowania.
8. Mikroobróbka powierzchniowa; trawienie jonowe anizotropowe i
izotropowe, izotropowe mokre, rola warstwy poświęcanej, stosowane
materiały, typowe procedury i konstrukcje, przykłady mikromechanizmów,
zastosowanie.
9. LIGA; podstawy procesowe, fotolitografia specjalna, elektrochemiczne
nakładanie warstw. Technika wytłaczania, wtrysku, podzespoły i
mikromaszyny, zastosowanie.
10. Niefotolitograficzne metody formowania mikrodetali: mikroelektroerozja,
stereoosadzanie i trawienie wspomagane chemicznie, stereolitografia,
przykłady i zastosowania.
11. Mechaniczne właściwości konstrukcji mikromechanicznych: matryca
tensorów naprężeń i odkształceń dla ortogonalnych oddziaływań sił w
układzie sieci typu FCC. Piezorezystywność w krzemie: matryca
piezorezystancyjna – przypadek uogólniony i szczególny dla oddziaływań
(110). Piezorezystory: budowa, relacje geometryczne, relacje materiałowe.
12. Mikromechaniczne przetworniki piezorezystancyjne; na membranie, na
belce zginanej, off-set, zakres, TWR, TCS, ułożenie, przykłady zastosowania.
13. Czujniki ciśnienia – piezorezystanyjne i pojemnościowe statyczne:
budowa i technologia struktury krzemowej, parametry
on-chip, obudowy proste i z membranami separującymi. Czujnik a
przetwornik – układy wzmacniaczy, wstęp do przetwarzania cyfrowego.
14. Czujniki ciśnienia cd. Kompensacja i normalizacja czujników; metody
rezystancyjne i cyfrowe. Parametry, zastosowanie. Dobór czujników,
przegląd producentów, ekonomia stosowania.
15. Czujniki przyśpieszenia z masą sejsmiczną; rodzaje, budowa struktur,
obudowy, damping, charakterystyki dynamiczne, przykłady wykorzystania w
technice, przegląd producentów.
16. Aktuatory mikromechaniczne; metody aktuacji, proste konstrukcje
mikrosiłowników, silniki rotacyjne, liniowe, przekładnie i łożyska, tarcie.
Mechanizmy wielopalczaste, układy rezonansowe, przełączniki RF,
mikroinstrumenty mechaniczne proste i złożone.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
17. Czujniki z aktuatorami: czujniki ciśnienia z elementami wibrującymi,
czujniki przyśpieszenia, żyratory, yaw-sensory. Budowa, parametry,
zastosowanie.
18. Układy mikrofluidyczne; sita, zawory, kolumny, zarządzanie
nanoprobkami, wybrane przykłady zastosowań, wstęp do mikrochemii.
19. Czujniki i mikrosystemy opto-mikromechaniczne; układy statyczne i
dynamiczne, modulatory, przełączniki wiązek świetlnych, wstęp do
mikrosystemów optycznych – spektrofotometry zintegrowane, optyka
adaptywna.
20. Nanostruktury przestrzenne, kryształy fotoniczne, nanoemitery ostrzowe,
emitery polowe z nanorurkami węglowymi. Elektronika planarna w zakresie
nanowymiarów a nanosystemy przestrzenne. Drogi rozwoju, integracja.
21. Zagadnienia końcowe - wpływ mikrosystemów na rozwój cywilizacyjny.
2
1
2
2
1
Ćwiczenia, seminarium - zawartość tematyczna
Laboratorium, projekt - zawartość tematyczna
Materiał do samodzielnego opracowania
Literatura podstawowa
Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i
krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Wyd. Pol.Wroc., Wrocław, 2004.
Literatura uzupełniająca
Tai-Ran-Hsu, MEMS&Microsystems Design and Manufacturing, Mc Graw Hill 2003
Michael Koehler, Etching in microsystem technology, Wiley-VCH, 1999
Mohamed Gad-el-Hak, The MEMS Handbook, CRC Press LLC, 2002
Warunki zaliczenia
Pozytywna ocena z trzech kolokwiów lub zaliczenie kolokwialne sumujące materiał
DESCRIPTION OF THE COURSES:
Course code
ETD 5013
Course title
Microsystems 1
Supervising course lecturer
Jan A. Dziuban, PhD, DSc
Other course lecturers
Anna Górecka-Drzazga, PhD
Rafał Walczak, PhD
Course structure
Course form
Lecture
Number of
hours /week
Form of the
course
completion
3
Classes
Laboratory
Project
Seminar
Number
of
credits
3
colloquium
Prerequisites
Course description
A monography on: microengineering of microsystems, designing and manufacturing, review
of technical solutions and discussing of parameters and applications,
3-D silicon and silico-glass, metal and plastic parts ( structures) fabrication has been
discussed. The special attention has been paid to deep and surface micromachining
procedures, bonding techniques, LIGA, stereo-machining, precise mechanical machining and
fabrication of nanostructures and materials which are suitable for microsystems.
The design, action, parameters and applications of the most important microsystems,
including sensors and actuators, micromachines, microrobots, mechanical and electrical
microinstruments and chosen chemical microsystems have discussed in details.
Introduction to nanosystems: nanostructures and materials (Milliped, Multiinspec, Vacuum
Nanoelectronics)
Niche market, applications, research&development programmes in the EU, USA and Japan as
well as job opportunities have been discussed in details.
Lecture
Particular lectures contents
Zawartość tematyczna poszczególnych godzin wykładowych
1.Introduction: definitions, the lecture range, position of microsystem
technique, chosen examples of microsystems (MEMS, MOEMS etc.)
2. Monocrystaline silicon: geometrical correlations, stereography, mechanical
and thermall properties. Micromechanical wafers, silicon deep and surface
etching rules, etch-rates, simple 3-D structure formation
3. Silicon deep micromachining; KOH, some other etchants, additions,
chemistry of etching, process parameters, stop-diffusion, etch-stops,
electrochemical etching, spexcialty procedures, mixed procedures dry/wet.
4. Basic 3-D structures: membranes, beams, multi-beams, vias, tips,
configurations of 3-D structures, technology, basic mechanical properties,
examples of applications.
5.1. Non-electrical bonding: washing, cleaning, activation of substrates to be
bonded, fusion bonding, eutectic bonding, glass frite bonding, HF/NaOH and
folie bonding.
5.2. Multi-layer structures. Built-in stresses and its compensation.
6. Anodic bonding silico-glass, bonding mechanismus, cathodes, depletion
layer, optimal process conditions, force of sealing, quality of sealing versus
process parameters, application examples.
7.1. Multilayer stuctures, bonding mechanismus, materials & configurations,
process quality.
7.2. Step-by-step and in-situ bonding of multilayer 3-D structures, annealing,
small details bonding, vacuum bonding, specialty techniques, applications.
8. Surface micromachining: ion etch, anisotropy/isotropy of dry etch, wet
surface etch, sacrificial layer, materials, flow-charts, constructions,
micromachines and theirs applications.
9. LIGA; process principles, deep photolitography, microgalvanic techniques,
hot embossing and
injection, mechanical details&micromachines,
applications.
10. Non-photolitographic details microfabrication, microerrosion, CVD
stereodeposition, 3-D plasma light enhanced etch..
11. Mechanical properties of 3-D constructions: matrix of tensors, stress and
strain for ortoghonal forces in FCC crystal. Piezoresistivity in silicon, Pi
matrix, (110) case. Piezoresistors, geometrical relations, fabrication
procedures.
12. Piezoresistive Wheastone’s bridge on: membranes, beams. Off-set, span,
TCR, TCS, geometry, examples of application in microsystems.
13. Pressure sensors: piezoresistive and capacitive (static): design,
technology of a die, chosen parameters. on-chip, obudowy proste i z
membranami separującymi. Czujnik a przetwornik – układy wzmacniaczy,
wstęp do przetwarzania cyfrowego.
14. Pressure sensors continued: Compensation and normalization, resistors
net, digital. Parameters, review of packaging methods, producers. Economy
of application.
15. Accelerometers with a seismic mass: typesw, structures design, package,
damping, dynamic characteristics, applications, producers.
16. Actuators: move in microscale, simple actuators, rotating and line
engines, gear-boxes, bears, comb-drive actuators, resonance and switching
Number of
hours
RF MEMS, mechanical microinstruments.
17. Sensors utilizing actuators: vibrating pressure sensors and accelerometers,
giro-sensors, yaw-sensors. Design, parameters, applications.
18 Microfluidics: nets, valves, mixers, columns, microfluidic maintaince,
nano-flows. Examples of devices, applications in a microchemistry.
19. MEOMS: sensors and actuators, static and dynamic, modulators, light
beam switchers, mirrors, introduction to optical microsystems:
spectrofotometers, adaptive optics.
20. 3-D nanostructures, photonic crystals, nanotips, nanotubes, planar nanoelectronics versus nanosystems. Development path and future.
21. Finishing remarks : Does microsystem technique influence civilization
development?
Classes, seminars - the contents
Laboratory, project – the contents
Material for self preparation
Core literature
Jan A. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i
krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Wyd. Pol.Wroc., Wrocław, 2004.
Additional literature
Tai-Ran-Hsu, MEMS&Microsystems Design and Manufacturing, Mc Graw Hill 2003
Michael Koehler, Etching in microsysten technology, Wiley-VCH, 1999
Mohamed Gad-el-Hak, The MEMS Handbook, CRC Press LLC, 2002
Conditions for course credition
positive 3 kolloqiums interim or positive final examination