БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ...

2

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УТВЕРЖДАЮ Проректор по учебной работе и

образовательным инновациям

_______________ О.И.Чуприс (подпись) ____________________ (дата утверждения)

Регистрационный № УД-______/уч.

СЕНСОРИКА И МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА

Учебная программа учреждения высшего образования

по учебной дисциплине по специальности высшего образования второй

ступени (магистратуры):

Специальность 1-31 80 07 Радиофизика

3

2018 г.

Учебная программа составлена на основе образовательного стандарта ОСВО

1-31 81 05-2012 г. и учебного плана G-31-284/уч от 26.05.2017 г.

СОСТАВИТЕЛИ:

A.В.Леонтьев, доцент кафедры физической электроники и нанотехнологий

Белорусского государственного университета, кандидат физико-

математических наук, доцент

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ:

Кафедрой физической электроники и нанотехнологий Белорусского

государственного университета

(протокол № 11 от 22.05 2018 г.);

Учебно-методической комиссией факультета радиофизики и компьютерных

технологий Белорусского государственного университета

(протокол № 10 от 19.06 2018 г).

4

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Учебная программа «Сенсорика и микросистемная техника» разработана

для студентов второй ступени высшего образования (магистратуры)

специальности 1-31 80 07 Радиофизика.

Место. Дисциплина входит в цикл дисциплин специальной подготовки

компонента учреждения высшего образования и относиться к дисциплинам

по выбору.

Взаимосвязь. Для успешного усвоения дисциплины «Физико-

химические основы сенсорики» необходимы знания по математическому

анализу и общей физике в объеме учебных программ названных дисциплин.

Целью изучения дисциплины является формирование у студентов

систематизированных знаний и навыков в области современных

интеллектуальных систем, физико-химических основ сенсорики и

технологий изготовления миниатюрных датчиков, устройств

микромеханики, а также выработке у студентов навыков решения

практических задач в данной области.

Задачи дисциплины:

– ознакомиться с физико-химическими явлениями, лежащими в

основе различных сенсорных систем;

– получение магистрантами знаний о физико-химических принципах

функционирования, микро-электромеханических (МЭМС) и микро-электро-

оптических систем (МОЭМС) а также основных принципов и технологий их

изготовления;

– ознакомиться с технологическими особенностями изготовления

устройств МЭМС и МОЭМС.

В результате изучения дисциплины магистрант должен:

знать:

− основные физические и химические явления, на основе которых

разрабатываются современные сенсоры;

− принципы функционирования сенсорных систем;

− основные технологии изготовления чувствительных элементов

сенсоров;

− основных производителей современных сенсорных систем;

уметь:

5

− правильно выбрать необходимый набор сенсорных структур для

анализа заданных параметров окружающей среды;

− проводить калибровку и тестирование готовых сенсорных

структур.

владеть:

– методиками прецизионного контроля параметров

разрабатываемых сенсорных систем, построением и изготовлением схем их

температурной стабилизации.

Освоение программы по учебной дисциплине «Сенсорика и

микросистемная техника» должно обеспечить формирование следующих

компетенций:

Академические:

- АК-1. Способность к самостоятельной научно-исследовательской

деятельности (анализ, сопоставление, систематизация, абстрагирование

моделирование, проверка достоверности данных, применение решений),

готовность генерировать и и использовать новые идеи.

- АК-2. Методологические знания и исследовательские умения,

обеспечивающие решение задач научно-исследовательской, научно-

педагогической, организационно-управленческой и инновационной

деятельности.

Социально-личностные:

- СЛК-1. Совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и

общекультурный уровень, добиваться нравственного и физического

совершенствования своей личности.

- СЛК-3. Формировать и аргументировать собственные суждения и

профессиона-льную позицию.

- СЛК-4. Анализировать и принимать решения по социальным,

этическим, научным и техническим проблемам, возникающим в

профессиональной деятельности.

Профессиональные:

- ПК-1. Работать с научно-технической информацией с использованием

современных информационных технологий.

- ПК-2. Разрабатывать и совершенствовать методы исследования с

применением сенсорных устройств.

- ПК-3. Осуществлять постановку и проведение теоретических и

экспериментальных исследований

- ПК-4. Проводить математическое моделирование простейших

сенсорных истем.

6

- ПК-6. Обосновывать достоверность полученных научных результатов.

- ПК-7. Формулировать выводы и рекомендации по применению

результатов научно-исследовательской работы.

Программа изучаемой дисциплины рассчитана на 122 часа, в том числе

48 аудиторных часа, из них: лекций 18 часа, лабораторных работ – 30 часов.

Дисциплина «Сенсорика и микросистемная техника» изучается

студентами дневной формы получения высшего образования второй

ступени (магистратуры) в 3-ом семестре.

Текущая аттестация по дисциплине проводится в форме зачета по

лекционному курсу и лабораторному практикуму.

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

Тема 1. Сенсоры и информационные технологии, характеристики

датчиков. Введение. Наука о сенсорах, сенсоры и информационные

технологии. Основные понятия. Понятие датчика (сенсора). Основные

характеристики сенсоров. Основы технологии изготовления датчиков.

Интегральные технологии, тонко- и толстопленочная гибридные технологии.

Сенсоры и нанотехнологии.

Тема 2. Основные физические принципы функционирования датчиков. Пьезоэлектрический эффект. Пироэлектрический эффект. Эффект Холла.

Эффект Зеебека и Пельтье. Удельное сопротивление металлов и

полупроводников. Измерение емкости. Влагочувствительность.

Тема 3. Датчики температуры. Физические принципы определения

температуры. Датчики температуры на основе платины и никеля. Термопары.

Кремниевые датчики температуры. Электронные термометры медицинского

назначения. Калибровка датчиков.

Тема 4. Датчики давления. Физические основы создания датчиков

давления. Датчики абсолютного и относительного давления.

Тензорезистивный эффект в металлах и полупроводниках. Интегральные

датчики давления. Датчики давления на основе КНИ-структур и карбида

кремния. Электронные барометры. Датчики вакуума. Приборы для

измерения кровяного давления.

Тема 5. Газовые датчики, датчики влажности. Физические основы

создания газовых датчиков. Термокондуктометрическая ячейка. Топливная

ячейка. Термохимическая ячейка. Полупроводниковые датчики. Калибровка

газовых датчиков. Емкостные датчики влажности. СВЧ датчики влажности.

Калибровка.

7

Тема 6. Оптические датчики. Датчики положения. Датчики изображения на

основе ПЗС. Датчики ИК-излучения. Тепловизор. Принцип

функционирования. Устройство и основные модели тепловизоров. Области

применения тепловизоров.

Тема 7. Оптические волоконные сенсоры. Оптический волновод.

Технология производства. Оптоволоконные сенсоры на основе внешних

эффектов. Оптоволоконные сенсоры на основе внутренних эффектов.

Распределенное зондирование. Мультиплексирование.

Тема 8. Датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Микроантенны. Резонансные датчики на ПАВ. Датчики на основе линий

задержки на ПАВ. Обзор микрополосковых антенн. Способы улучшения

рабочих характеристик микроантенн. Процесс изготовления микроантенн.

Микроантенны с переменной конфигурацией.

Тема 9. МЭМС и МОЭМС. Микро-электро-механические системы (МЭМС)

и микро-опто-электро-механические системы (МОЭМС). 3D-технология

микросистем. Технология LIGA, объемная технология, поверхностная

технология. Интеллектуальные сенсорные системы: электронный нос,

электронный язык, датчики для считывания отпечатков пальцев. Умная пыль,

умная поверхность, умная структура. Потребность мировой экономики в

сенсорах. Обзор продукции, ведущие мировые производители сенсоров,

перспективы развития.

8

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Номер

раздела,

темы Название раздела, темы

Количество аудиторных часов

Материальное

обеспечение

занятия

(методические

пособия и др.)

Литература

Форма

контроля

знаний Лекции

Практические

(семинарские)

Занятия

Лабораторные

занятия

1 2 3 4 5 6 7 8

1. Сенсоры и информационные

технологии, характеристики

датчиков (6 ч).

2 4

Электронный

конспект лекций,

презентация

Технологическая

линейка

твердотельной

электроники.

Метод. указания к

лаб. работам

[1, 7]

Устный

опрос

Защита

отчета по

лаборатор-

ной работе

9

1 2 3 4 5 6 7 8

2.

Основные физические

принципы функционирова-

ния датчиков. (6 ч)

2 - 4




Технологическая

линейка

твердотельной

электроники.



[1, 2 ]

Устный

опрос

Защита

отчета по

лаборатор-

ной работе

3. Датчики температуры (10 ч) 2 - 8




Компьютезиро-

ванный

измеритель

температуры ИТ-

3М.



[1, 7]

Устный

опрос

Защита

отчета по

лаборатор-

ной работе

4. Датчики давления (8ч) 2 - 6




Лабораторная

Установка ВУП

3М.



[3, 7]

Устный

опрос

Защита

отчета по

лаборатор-

ной работе

10

1 2 3 4 5 6 7 8

5. Газовые датчики, датчики

влажности (4ч) 2 - 2




Анализатор

угарного газа.


лаб. Работам

[1, 2, 7]

Устный

опрос

Защита

отчета по

лабораторно

й работе

6. Оптические датчики (8 ч) 2

-

6




Тепловизионная

установка

AGEMA.



[3 5, 7]

Устный

опрос

Защита

отчета по

лабораторно

й работе

7. Оптические волоконные

сенсоры (2 ч) 2 - -




[1,6,7] Устный

опрос

8. Датчики на поверхностных

акустических волнах (ПАВ).

(2 ч)

2 э- -




[2, 3, 7] Устный

опрос

9. МЭМС и МОЭМС (6 ч) 2 - -




[2, 7]

Устный

опрос

Тестировани

е по всем

разделам

курса

11

ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основная литература

1. Виглеб, Г. Датчики / М.: Мир, 1989. 196 с.

2. Вардан, В. ВЧ МЭМС и их применение / В. Варадан, К. Виной, К. Джозе.

М.: Техносфера, 2004. 525 с.

3. Уорден, K. Новые интеллектуальные материалы и конструкции / М.:

Техносфера, 2006. 224 с.

Дополнительная литература

4. Уорден ,К. Интеллектуальные материалы / М.: Техносфера, 2004. 448 с.

5. Пул, Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуэнс. М.: Техносфера, 2004. 336 с.

6. Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике / 2-е изд., испр. и

дополненное. М.: Техносфера, 2006. 160 с.

7. Джексон, Р. Г. Новейшие датчики / М.:Техносфера, 2007, 380 с.

Перечень лабораторных занятий

1. Термическое окисление кремния и эллипсометрический контроль

толщины.

2. Изучение эффекта “просветления” кремниевых подложек в средней

ИК-области с помощью термического окисла.

3. Калибровка РН-метров с помощью стандартных растворов.

4. Определение РН проявителей позитивных фоторезистов.

5. Изучение принципов функционирования и устройства датчиков

вакуума.

6. Калибровка термопар.

7. Измерение импеданса емкостных датчиков.

8. Определения скрытых электрических полей и пустот в массивных

объектах с помощью прибора BOSCH DMF 10 Zoom.

9. Изучение принципа функционирования и интерфейса тепловизионной

системы AGEMA.

10. Калибровка тепловизионной системы AGEMA.

11. Определение распределения тепловых полей микрообъектов с

помощью тепловизионной системы AGEMA.

12. Определение распределения тепловых полей удаленных

макрообъектов с помощью тепловизионной системы AGEMA.

13,

12

13

Список компьютерных программ 1. SRIM – 2013

2. ICECREAM

3.Thermovision

Выполнение лабораторных работ

В лабораторном практикуме по дисциплине «Сенсорика и

микросистемная техника» запланировано проведение натурных

экспериментов на лабораторных установках по изучению технологий

изготовления сенсоров, работа с тепловизионными системами AGEMA и ИТ-

3СМ, а также измерение вакуума на установке ВУП-3М. Задание по лабораторным работам для студентов заключается в

подготовке отчета в письменном виде по выполненной работе. Контроль выполнения лабораторных работ будет осуществляться путем рассмотрения отчета по каждой выполненной лабораторной работе. Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. Фамилию, имя, отчество студента.

2. Название работы.

3. Цель исследования.

4. Исходные данные и методику проведения лабораторной работы.

5. Обсуждение полученных результатов, оценки величин и зависимостей,

выводы по работе.

Защита отчетов по лабораторной работе студентам будет проводиться в

форме индивидуального собеседования.

Методика формирования итоговой оценки

Итоговая оценка формируется на основе 2-х документов:

1. Правила проведения аттестации (Постановление № 53 от 29.05.2012 г.)

2. Положение о рейтинговой системе БГУ (ред. 2015 г.).

Перечень тестовых вопросов

1. Какие основные технологии используются при изготовлении датчиков.

2. “Умная пыль”, “Умная поверхность”, “Умная структура”. Дайте их

определение и краткую характеристику.

3. Дайте определение датчика (сенсора) и ( тора).

4. Какие требования предъявляются к датчикам.

13

5. На каких физических принципах основано функционирование

датчиков температуры. Перечислить.

6. На каком эффекте основана работа термопары.

7. Из каких металлов и почему обычно изготавливают датчики

температуры.

8. Чем отличается европейский стандарт платиновых сопротивлений от

американского.

9. На каком эффекте основана работа ртутного термометра.

10. Как калибруют термопары.

11. В чем преимущества и недостатки полупроводниковых интегральных

датчиков температуры.

12. Что такое тепловизор и из каких основных частей он состоит.

13. Что такое компрессор Стирлинга.

14. Перечислите основных производителей тепловизоров и дайте краткую

характеристику их продукции.

15. Перечислите окна прозрачности для тепловизионной техники. Из каких

материалов делают оптические системы ИК-диапазона.

16. Поясните эффект просветления оптики ИК-диапазона.

17. Что такое абсолютная и относительная влажность.

18. Перечислите известные Вам физические принципы построения

датчиков влажности.

19. Как откалибровать датчик влажности.

20. Опишите основные физические принципы работы газовых датчиков

(термокондуктометрическая ячейка, топливная ячейка,

термохимическая ячейка).

21. Перечислите основные характеристики газовых датчиков.

22. В чем заключается принцип работы полупроводниковых газовых

детекторов. Какие полупроводниковые материалы в них используются.

23. Перечислите основных производителей полупроводниковых газовых

сенсоров и дайте краткую характеристику их продукции.

24. Какие полупроводниковые материалы используют для изготовления

полупроводниковых газовых сенсоров.

25. В чем заключается сущность тензорезистивного эффекта. В каких

материалах (металлы, полупроводники) тензорезистивный эффект

больше и почему. В чем заключается сущность действительного

интегрирования.

26. От каких факторов зависит величина тензорезистивного эффекта в

полупроводниках.

27. С помощью каких технологических операций формируются

тензорезисторы в кремнии.

28. В чем преимущество датчиков давления, сформированных с

применением тензорезистов из карбида кремния.

14

29. Какие датчики давления можно изготовить на базе элемента X-Ducer

(датчики компании Freescale).

30. На каких принципах основана работа датчиков разряжения.

31. Какие физические принципы используются при разработке датчиков

давления с использованием оптических эффектов.

32. В чем заключаются особенности формирования датчиков давления с

использованием емкостного метода.

33. В чем заключаются особенности формирования датчиков давления с

использованием ПАВ.

34. Какие технологии используются при формировании МЭМС и МОЭМС.

35. Какие материалы используются при формировании МЭМС и МОЭМС.

36. Приведите примеры 1D, 2D и 3D интеллектуальных устройств.

37. На каких физических принципах основано формирование

акселерометров с кантеливером.

38. Какие материалы используются в МЭМС-акселерометрах с

использованием пьезоэлектрического эффекта.

39. Какие типы МЭМС-гироскопов Вам известны. Какова их

классификация. Дайте понятие силы Кариолиса.

40. Перечислите основных производителей МЭМС-гироскопов. Дайте

краткую характеристику их продукции.

41. В каких устройствах используются твердотельные МЭМС-гироскопы.

42. На каких принципах формируются химические сенсоры.

43. Какой принцип положен в основу функционирования “электронного

носа”.

44. Что такое биосенсор.

45. Как работает ион-селективный полевой транзистор.

46. Перечислите физические принципы функционирования датчиков

ионизирующего излучения.

15

ПРОТОКОЛ СОГЛАСОВАНИЯ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ УВО

Название учебной

дисциплины, с

которой требуется

согласование

Название кафедры Предложения об

изменениях в

содержании учебной

программы

учреждения

высшего

образования по

учебной дисциплине

Решение, принятое

кафедрой,

разработавшей

учебную программу

(с указанием даты и

номера протокола)*

Интеллектуальные

технологии в радио-

физических

системах

Кафедра

интеллектуальных

систем

нет

Изменений не

требуется

Прот. №11 от

22.05.2018 г.

* При наличии предложений об изменениях в содержании учебной программы УВО.

16

ДОПОЛНЕНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ К УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЕ УВО на _________ / __________ учебный год

№ п/п Дополнения и изменения Основание

Учебная программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры

физической электроники и нанотехнологий

(протокол № ____ от ________ 201__ г.)

Заведующий кафедрой

_____________________ _______________ __________________

(ученая степень, ученое звание) (подпись) (И.О.Фамилия)

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета

___________________ _________________ __________ (ученая степень, ученое звание) (подпись) (И.О.Фамилия)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ...

Documents