OPISY KURSÓW. Kod kursu: ETD 5062 Nazwa kursu: Mikrosystemy I Język wykładowy: polski

Transkrypt

1 OPISY KURSÓW Kod kursu: ETD 506 Nazwa kursu: Mikrosystemy I Język wykładowy: polski Forma kursu Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Tygodniowa liczba godzin ZZU * Semestralna liczba godzin ZZU* Forma Egzamin zaliczenia Punkty ECTS Liczba godzin 60 CNPS Poziom kursu (podstawowy/zaawansowany): studia I stopnia stacjonarne, zaawansowany Wymagania wstępne: brak Imię, nazwisko i tytuł/ stopień prowadzącego: Jan Dziuban, dr hab. inŝ. Imiona i nazwiska oraz tytuły/stopnie członków zespołu dydaktycznego: Anna Górecka-Drzazga, dr inŝ.; Rafał Walczak, dr inŝ.; Rok: III Semestr: 5 Typ kursu (obowiązkowy/wybieralny): obowiązkowy Cele zajęć (efekty kształcenia): umiejętności i kompetencje - znajomość podstaw fizycznych i chemicznych procesów umoŝliwiających wytwarzanie mikrosystemów, umiejętność projektowania, konstruowania i praktycznego wykorzystania mikrosystemów krzemowo-szklanych Forma nauczania (tradycyjna/zdalna): tradycyjna Krótki opis zawartości całego kursu: Kompendium wiedzy na temat mikroinŝynierii mikrosystemów wraz z przeglądem rozwiązań konstrukcyjnych i dyskusją parametrów i zastosowań. Omówiona 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, Omówiono budowę, działanie, parametry i zastosowanie najwaŝniejszych mikrosystemów z uwzględnieniem sensorów i aktuatorów, mikroinstrumentów mechanicznych, i pomiarowych oraz wybranych mikrosystemów chemiczne. Przedstawiono rynek producentów i aplikacji, główne programy badań UE, USA i Japonii, rozwój usług oraz moŝliwości pracy w dziedzinie. Wykład (podać z dokładnością do godzin): 1

2 Zawartość tematyczna poszczególnych godzin wykładowych Liczba godzin 1. Wstęp: definicje, zakres wykładu, rola techniki mikrosystemów, wybrane przykłady.. Budowa krzemu monokrystalicznego, zaleŝności geometryczne, rzuty stereograficzne, właściwości mechaniczne, termiczne. PodłoŜa mikromechaniczne, zasady trawienia głębokiego i płytkiego, anizotropia procesów, przykłady prostych struktur mikromechanicznych. Podstawowe technologie mikroelektroniczne stosowane w mikromechanice (utlenianie, dyfuzja, metalizacja, fotolitografia). 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. Zasady obliczeń projektowych na przykładzie membrany płaskiej. 5. Bonding nielektryczny: aktywacja i mycie podłoŝy, mechanizm bondingu fuzyjnego, eutektycznego, zol-ŝel, HF/NaOH, foliowego. Przykłady konstrukcji wielowarstwowych. NapręŜenia wbudowane, kompensacja naprtęŝeń zagadnienia specjalne. 6. Bonding anodowy krzem-szkło, mechanizm bondingu, katody, warstwa zuboŝona, techniki prowadzenia procesu, siła łączenia, wpływ parametrów na jakość łączenia, proste struktury, przykłady zastosowania. 8. Bonding anodowy wielowarstwowy, mechanizm bondingu, wpływ rodzaju materiałów i konfiguracji łączenia na przebieg i jakość bondingu. 9. Bonding równoczesny i kolejny, wygrzewanie, bonding drobnych detali, bonding próŝniowy, specjalne techniki bondingu. Przykłady zastosowania. 10. Mechaniczne właściwości konstrukcji mikromechanicznych: matryca tensorów napręŝeń i odkształceń dla ortogonalnych oddziaływań sił w układzie sieci typu FCC. Piezorezystywność w krzemie: matryca piezorezystancyjna - przypadek uogólniony i szczególny. 11. Mikromechaniczne przetworniki piezorezystancyjne; na membranie, na belce zginanej, off-set, zakres, TWR, TCS, ułoŝenie, przykłady zastosowania. 1. 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. 13. Czujniki ciśnienia cd. Kompensacja i normalizacja czujników; metody rezystancyjne i cyfrowe. Parametry, zastosowanie. Dobór czujników, przegląd producentów, ekonomia stosowania. 14. Czujniki przyśpieszenia z masą sejsmiczną; rodzaje, budowa struktur, obudowy, damping, charakterystyki dynamiczne, przykłady wykorzystania w technice, przegląd producentów. 15. Zagadnienia końcowe - wpływ mikrosystemów na rozwój cywilizacyjny. Ćwiczenia - zawartość tematyczna: Seminarium - zawartość tematyczna: Laboratorium - zawartość tematyczna:

3 Projekt - zawartość tematyczna: Literatura podstawowa: 1. J. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 00. J. Dziuban, Bonding in microsystem technology, Springer 006 Literatura uzupełniająca: 1. Czasopisma w języku angielskim: Sensors and Actuators, Journal of Micromechanics and Microengineering (dostępne w czytelni BG, BI-W1 oraz na stronie internetowej PWr).. Tai-Ran-Hsu, MEMS&Microsystems Design and Manufacturing, Mc Graw Hill 003, 3. Mohamed Gad-el-Hak, The MEMS Handbook, CRC Press LLC, 00, Warunki zaliczenia: wykład - egzamin sumujący materiał * - w zaleŝności od systemu studiów 3

4 DESCRIPTION OF THE COURSES Course code: ETD 506 Course title: Microsystems I Language of the lecturer: Polish Course form Lecture Classes Laboratory Project Seminar Number of hours/week* Number of hours/semester* Form of the course completion exam ECTS credits Total Student s 60 Workload Level of the course (basic/advanced): First-cycle studies, mode of study: full-time studies, advanced Prerequisites: none Name, first name and degree of the lecturer/supervisor: Jan Dziuban, PhD, DSc Names, first names and degrees of the team s members: Anna Górecka-Drzazga, PhD; Rafał Walczak, PhD Year: III Semester: 5 Type of the course (obligatory/optional): obligatory Aims of the course (effects of the course): skill and competence - knowledge of the basic constructions and techniques of fabrication of microsystems type MEMS/MOEMS. Form of the teaching (traditional/e-learning): traditional Course description: Course is a monography on: microengineering of microsystems, designing and manufacturing, review of technical solutions and discussing of parameters and applications. Lecture: Particular lectures contents 1. Introduction: definitions, the lecture range, position of microsystem technique, chosen examples of microsystems (MEMS, MOEMS etc.).. Monocrystalline silicon: geometrical correlations, mechanical and thermal properties. Wafers, silicon deep and surface etching rules, etchrates, simple 3-D structure formation. Basic microelectronic technologies in microsystem technique(oxidization, diffusion, metalization, photolitography) 3. Silicon deep micromachining; KOH, some other etchants, additions, chemistry of etching, process parameters, stop-diffusion, etch-stops, electrochemical etching, special procedures, mixed procedures dry/wet. 4. Basic 3-D structures: membranes, beams, multi-beams, vias, tips, Number of hours 4

5 configurations of 3-D structures, technology, basic mechanical properties, examples of applications. Rules of project calculation on example of silicon membrane. 5. Non-electrical bonding: washing, cleaning, activation of substrates to be bonded, fusion bonding, eutectic bonding, glass frite bonding, HF/NaOH and folie bonding. Multi-layer structures. Built-in stresses and its compensation. 6. Anodic bonding silicon-glass, bonding mechanisms, cathodes, depletion layer, optimal process conditions, force of sealing, quality of sealing vs. process parameters, application examples. 8. Multilayer structures, bonding mechanisms, materials & configurations, process quality. 9. Step-by-step and in-situ bonding of multilayer 3-D structures, annealing, small details bonding, vacuum bonding, specialty techniques, applications. 10. 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. 11. Piezoresistive Wheatstone bridge on: membranes, beams. Off-set, span, TCR, TCS, geometry, examples of application in microsystems. 1. Pressure sensors: piezoresistive and capacitive (static): design, technology of a die, chosen parameters. 13. Pressure sensors continued: Compensation and normalization, resistors net, digital. Parameters, review of packaging methods, producers. Economy of application. 14. Accelerometers with a seismic mass: types, structures design, package, damping, dynamic characteristics, applications, producers. 15. Finishing remarks Classes the contents: Seminars the contents: Laboratory the contents: Project the contents Basic literature: 3. Praca zbiorowa: Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej, WN-T, W-wa 1980, 4. R. Beck, Technologia krzemowa, WN PWN, W-wa J. Dziuban, Technologia i zastosowanie mikromechanicznych struktur krzemowych i krzemowo-szklanych w technice mikrosystemów, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 00 Additional literature: 1. Scientific Journals e.g.: Sensors and Actuators, Journal of Micromechanics and Microengineering (available in BG, BI-W1 PWr, and in Internet).. Tai-Ran-Hsu, MEMS&Microsystems Design and Manufacturing, Mc Graw Hill Mohamed Gad-el-Hak, The MEMS Handbook, CRC Press LLC, Michael Koehler, Etching in microsystems technology, Wiley-VCH,

6 Conditions of the course acceptance/credition: positive final exam * - depending on a system of studies 6