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 Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba punktów Tygodniowa 3 3 liczba godzin Forma zaliczenia 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 godzin) Zawartość tematyczna poszczególnych godzin wykładowych Liczba godzin 1. Wstęp: definicje, zakres wykładu, rola techniki mikrosystemów, wybrane przykłady.. Budowa krzemu monokrystalicznego, zależności geometryczne, rzuty 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.. 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.. 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. 1. 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.
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. 0. Nanostruktury przestrzenne, kryształy fotoniczne, nanoemitery ostrzowe, emitery polowe z nanorurkami węglowymi. Elektronika planarna w zakresie nanowymiarów a nanosystemy przestrzenne. Drogi rozwoju, integracja. 1. Zagadnienia końcowe - wpływ mikrosystemów na rozwój cywilizacyjny. 1 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, 004. Literatura uzupełniająca Tai-Ran-Hsu, MEMS&Microsystems Design and Manufacturing, Mc Graw Hill 003 Michael Koehler, Etching in microsystem technology, Wiley-VCH, 1999 Mohamed Gad-el-Hak, The MEMS Handbook, CRC Press LLC, 00 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 Classes Laboratory Project Seminar Number of credits Number of hours /week 3 3 Form of the colloquium course completion 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.). 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.. 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.. 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 detailsµmachines, 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. 1. 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. 0. 3-D nanostructures, photonic crystals, nanotips, nanotubes, planar nanoelectronics versus nanosystems. Development path and future. 1. 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, 004. Additional literature Tai-Ran-Hsu, MEMS&Microsystems Design and Manufacturing, Mc Graw Hill 003 Michael Koehler, Etching in microsysten technology, Wiley-VCH, 1999 Mohamed Gad-el-Hak, The MEMS Handbook, CRC Press LLC, 00 Conditions for course credition positive 3 kolloqiums interim or positive final examination