и наносистем x - Высшая школа экономики

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Департамент электронной инженерии
Программа дисциплины
«Моделирование и проектирование микро- и наносистем»
для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника »
подготовки бакалавра
Автор программы: Новоселова Е.Г., к.ф.-м.н., enovoselova@hse.ru
Рекомендована профессиональной коллегией
УМС по электронике
Председатель С.У. Увайсов
Утверждена Учёным советом МИЭМ
Ученый секретарь В.П. Симонов
Москва, 2015
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1 Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и
отчетности.
Программа разработана в соответствии с :
- Федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная
техника» (профиль «Материалы микро- и наносистемной техники) подготовки бакалавра;
- Рабочим учебным планом университета по направлению 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» подготовки бакалавра, утвержденным в 2015 г.
2. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Моделирование и проектирование микро- и наносистем »
является формирование у студентов знаний о компонентах микро- и наносистемной техники, освоение базовых принципов и методов конструирования изделий, базовых и специальных технологических операциях используемых при создании элементов и устройств
микро- и наносистемной техники.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен:
а) знать:

методы формального описания компонентов микро- и наносистем;

методы расчета и моделирования базовых компонентов микро- и наносистем;

методы расчета и моделирования базовых процессов при изготовлении компо-
нентов микро- и наносистем ;
б) уметь:

проводить математическое моделирование для определения статических и динамических характеристик компонентов микросистемной техники;


осуществлять выбор материалов для построения компонентов микросистемной
техники с учетом конструкции, технологии их создания и условий эксплуатации;
иметь навыки реализации базовых и специальных процессов, используемых при
создании элементов и устройств микросистемной техники
в) владеть


методами численного моделирования и расчета параметров микро- и
наносистем;
навыками работы со стандартными моделирующими средами, проектирования
микро- и наносистем согласно общепринятым методикам и правилам.
В результате освоения дисциплины «Моделирование и проектирование микро- и
наносистем» студент осваивает следующие компетенции
Компетенция
Код
по
ФГОС
Дескрипторы- основные
признаки освоения
(показатели
Формы и методы
обучения,
способствующие
2
достижения результата)
Способность владеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели
и выбору путей ее достижения (формируется частично)
Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять
методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (формируется частично)
Готовность рассчитывать и моделировать
основные параметры наноструктурных
материалов, изделий и устройств на их
основе, исходя из требуемых характеристик и условий эксплуатации (формируется частично)
Готовность применять знания о фундаментальных основах технологических
процессов получения материалов и компонентов нано- и микросистемной техники (формируется частично)
ОК-1
ОК-10
Написание реферата, выступления на семинарах,
способность
анализировать типовые ситуации,
сдача зачета
Способность анализировать типовые ситуации,
выполнение
домашнего
задания, сдача зачета
формированию и
развитию компетенции
Посещений лекций и
практических занятий,
подготовка
реферата,
подготовка к выступлению на семинаре
Посещений лекций, подготовка домашнего задания, подготовка к
практическим занятиям,
подготовка к зачету
ПК-14
Самостоятельное выполнение домашних заданий ,
выступления на практических занятиях
Посещений лекций и
практических занятий,
Подготовка домашних
заданий, подготовка к
практическим занятиям
ПК-18
Самостоятельное выполнение домашних заданий ,
выступления на практических занятиях
Посещений лекций и
практических занятий,
Подготовка домашних
заданий, подготовка к
практическим занятиям
4. Место дисциплины в структуре образовательной программы
Для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника» (профиль
«Материалы нано- и микросистемной техники) подготовки бакалавров дисциплина «Моделирование и проектирование микро- и наносистем» является обязательной.
Изучение дисциплины «Моделирование и проектирование микро- и наносистем» базируется на следующих дисциплинах:
«Математика», «Физика», «Химия» «Физические основы микро- и наносистемной
техники», «Физика кристаллов», «Физическое материаловедение» .
Основные положения дисциплины
«Моделирование и проектирование микро- и
наносистем» используются в дальнейшем при изучении дисциплины «Синхротронное
излучение и его применение в микро- и нанотехнологиях», а также при подготовке и выполнении выпускной квалификационной работы.
5. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Всего часов
108
66
30
36
-
Модуль
1
2
15
15
18
18
3
Вид итогового контроля
Тип контроля
экзамен
Формы контроля знаний студентов
Форма контроля
Модуль Параметры
Текущий
Контроль активности на семинарах
Промежуточный Домашнее задание
1,2
Итоговый
2
экзамен
1,2
Решение задач, ответы на вопросы
Расчетно-графические задания
Устный зачет
Порядок формирования оценок по дисциплине
текущий контроль предусматривает учет активности студентов в ходе проведения
семинарских, ответы на вопросы, решение задач;
промежуточный контроль предусматривает выполнение 2 домашних работ;
итоговый контроль проводится в форме устного экзамена.
Итоговая оценка формируется как взвешенная сумма оценки, накопленной в течение курса, и оценки за зачет.
Накопленная оценка (НО) (максимум 10 баллов) включает оценку за работу на семинарских занятиях (Опр.) и домашние задания и формируется по следующему правилу:
НО=0,2 Опр. +0,8Одз.
Итоговая оценка (ИО) (максимум 10 баллов) по курсу определяется с учетом накопленной оценки (с весом 0,5) и оценки за экзамен в конце курса (с весом 0,5) - по следующей формуле:
ИО=0,5*( НО) +0.5 Оэкз
Все округления производятся в соответствии с общими математическими правилами.
Оценки за курс определяются по пятибалльной и десятибалльной шкале.
Количество
набранных
баллов
Оценка по
десятибалльной
шкале
Оценка по
пятибалльной шкале
9,5-10
10
отлично
8,5-9,4
9
отлично
7,5-8,4
8
отлично
6,5-7,4
7
хорошо
5,5-6,4
6
хорошо
4,5-5,4
5
удовлетворительно
3,5-4,4
4
удовлетворительно
2,5-3,4
3
неудовлетворительно
4
1,5-2,4
2
неудовлетворительно
0–1,4
1
неудовлетворительно
Критерии оценки знаний, навыков
Активность на семинарских занятиях оценивается по следующим критериям:
 Ответы на вопросы, предлагаемые преподавателем;
 Решение задач на практических занятиях;
Контрольные работы: контрольные работы оцениваются по степени решения задач и правильному ответу
Домашнее задание : домашнее оценивается по правильному составлению алгоритма решения, правильному написанию программы для вычислений, аккуратности в
оформлении работы, сдаче оформленной работы в срок.
Устный экзамен зачет проводится в конце 2 модуля. Вопросы составляются с учетом материала, пройденного как на лекционных, так и на практических занятиях.
6.Содержание дисциплины.
6.1.Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п
Раздел дисциплины
Аудиторные занятия, часы
Лекции
ПЗ (или С)
1
Уровни описания и параметры проек- 2
тируемых объектов, классификация
проектных процедур
-
2
Основные методы описания объектов
и процессов
Механические модели в электромеханике, физико-математические и
морфолого-топологические модели
базовых элементов, моделирование микроэлектромеханических систем
Физико-математические модели базовых компонентов оптических систем
Сенсоры
Физико-математические модели радиоэлектронных компонентов
4
2
6
8
5
8
5
4
8
8
3
4
5
6
5
7
Структура
систем 4
автоматизированного
проектирования, виды обеспечения
САПР,
международная
стандартизация
в
области
автоматизации
проектирования микросистем
ВСЕГО
30
2
36
6.2. Содержание разделов дисциплины.
( Указывается название каждого раздела и его содержание)
Раздел 1. Уровни описания и параметры проектируемых объектов, классификация
проектных процедур.
Основные стадии и этапы проектирования. Классификация задач проектирования по степени новизны. Основные этапы проектирования по содержанию их задач. Понятие о проектных процедурах, операциях, маршрутах проектирования. Примеры задач расчета, анализа,синтеза, оптимизации. Типовой алгоритм этапа проектирования. Понятие о способах
проектирования. Иерархия уровней проектирования. Подходы, реализующие уровни
проектирования.
Раздел 2. Основные методы описания объектов и процессов
Методы описания процесса для анализа и стандартизации. Блок-схема, диаграмма последовательности. Диаграмма потоков (например, DFD,IDEF0). Карта процесса. Сетевой график. Процессно-функциональная диаграмма. Диаграмма процесса принятия решения,
объектно-событийное описание.
Раздел 3. Механические модели в электромеханике, физико-математические и
морфолого-топологические модели базовых элементов, моделирование
микроэлектромеханических систем.
Механические модели в электромеханике: механическое равновесие, уравнение баланса
динамических величин, уравнение движения. Физико-математические и
морфолого-топологические модели базовых элементов 'объемной' и 'поверхностной'
микромеханики: статические и динамические модели мембран, балок, струн, маятников;
размерные эффекты, масштабирование. Моделирование микросистем с электрическими и
магнитными полями: полевые уравнения, краевые задачи; проектирование
электростатических и электромагнитных приводов движения; расчет конструкции
пьезоэлектрического и магнитострикционного микроактюатора. Моделирование процессов поглощения и диссипации энергии в микроэлектромеханических системах, термический анализ. Моделирование микропотоков жидкости и газа в капиллярах и микроклапанах.
Раздел 4. Физико-математические модели базовых компонентов оптических систем.
Физико-математические модели базовых компонентов оптических систем: спектральные
фильтры, интерференционные покрытия, зеркала, линзы, дифракционные решетки.
Моделирование распространения света в объемном и планарном волноводах; рассеяние
света на микронеоднородностях. Проектирование базовых элементов управления оптическим излучением: электро-, акусто-, магнитооптическая ячейки. Методика расчета опти6
ческого тракта устройства интегральной оптики: физико-топологическая модель, эффекты
масштабирования, размерный фактор.
Раздел 5. Сенсоры.
Классификация сенсоров: назначение, принципы преобразования. Характеристики
сенсоров: диапазон измерения, чувствительность, точность, линейность, селективность.
Погрешности измерений: температурный и временной дрейф параметров, шумы.
Микромеханические сенсоры. Механические конструкции: объемные, мембранные,
балочные, струнные. Датчики на основе микромеханических преобразователей: давления,
расхода, пульсаций, смещения, силы, ускорения. Термоэлектрические сенсоры.
Терморезистивные,
термоэлектрические,
термомеханические,
пироэлектрические
преобразователи. Датчики: температуры, потока, вакуума, термопары, анемометры,
болометры,
термисторы.
Оптические
сенсоры:
фоторезисторы,
фотодиоды,
фототранзисторы, фотосчетчики. Датчики: светового потока (энергетические,
спектральные), оптического поглощения, смещения, положения. Магнитоэлектрические
сенсоры: индуктивные преобразователи, магниторезисторы, магнитотранзисторы; датчики
магнитного поля. Биохимические сенсоры: электрохимические, термокаталитические,
адсорбционные преобразователи; датчики состава жидкостей и газов; датчики влажности.
Раздел 6. Физико-математические модели
радиоэлектронных компонентов.
Понятие о математических моделях (ММ) и их классификация. Основные параметры ММ.
Основные требования, предъявляемые к ММ. Физико-математические модели
радиоэлектронных компонентов: резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды,
транзисторы, трансформаторы, коммутационные линии. Физико-технологические и
топологическая модели элементной базы интегральных микросхем: моделирование
базовых технологических операций, аналитическое описание фрагментов базовых
биполярных и униполярных структур, эффекты масштабирования
Раздел 7. Структура систем автоматизированного проектирования, виды
обеспечения САПР, международная стандартизация в области автоматизации
проектирования микросистем.
Применение ЭВМ для автоматизации задач проектирования (основные этапы развития).
Состав САПР. Принципы построения САПР. Понятие о техническом обеспечении САПР.
Понятие о математическом обеспечении САПР. Понятие о лингвистическом обеспечении
САПР. Понятие о программном обеспечении САПР. Понятие о прикладном обеспечении
САПР. Понятие об информационном обеспечении САПР. Способы организации
размещения данных. Способы структурирования данных. Понятие о СУБД.
Понедельный план проведения лекционных занятий
№
нед.
Вид
занятия
Тема занятия
Колво
часов
Рубежный
контроль
7
1
Л-1
Основные стадии и этапы проектирования. Классификация
задач проектирования по степени новизны. Основные этапы
проектирования по содержанию их задач. Понятие о проектных процедурах, операциях, маршрутах проектирования.
Примеры задач расчета, анализа,синтеза, оптимизации. Типовой алгоритм этапа проектирования.
Типовой алгоритм этапа проектирования. Понятие о способах
проектирования. Иерархия уровней проектирования. Подходы, реализующие уровни проектирования. Методы описания
процесса для анализа и стандартизации. Блок-схема, диаграмма последовательности. Диаграмма потоков (например,
DFD,IDEF0).
2
Л-2
3
Л-3
Карта процесса. Сетевой график. Процессно-функциональная
диаграмма. Диаграмма процесса принятия решения, объектнособытийное описание.
4
Л-4
5
Л-5
6
Л-6
Механические модели в электромеханике: механическое равновесие, уравнение баланса
динамических величин, уравнение движения. Физикоматематические и морфолого-топологические модели базовых элементов 'объемной' и 'поверхностной' микромеханики:
статические и динамические модели мембран, балок, струн,
маятников; размерные эффекты, масштабирование.
Моделирование микросистем с электрическими
и магнитными полями: полевые уравнения, краевые задачи;
проектирование электростатических и электромагнитных
приводов движения; расчет конструкции пьезоэлектрического и магнитострикционного микроактюатора.
Моделирование процессов поглощения и диссипации энергии
в микроэлектромеханических системах, термический анализ.
Моделирование микропотоков жидкости и газа в капиллярах
и микроклапанах.
7
Л-7
8
Л-8
9
Л-9
Д.з.
Физико-математические модели базовых компонентов оптических систем: спектральные фильтры, интерференционные
покрытия, зеркала, линзы, дифракционные решетки. Моделирование распространения света в объемном и
планарном волноводах; рассеяние света на микронеоднородностях.
Проектирование базовых элементов управления оптическим
излучением: электро-, акусто-, магнитооптическая ячейки.
Методика расчета оптического тракта устройства интегральной оптики: физико-топологическая модель, эффекты
масштабирования, размерный фактор.
Классификация сенсоров: назначение, принципы преобразования. Характеристики сенсоров: диапазон измерения, чувствительность, точность, линейность, селективность. Погрешности измерений: температурный и временной дрейф параметров, шумы. Микромеханические сенсоры. Механические
8
конструкции: объемные, мембранные, балочные, струнные.
10
Л-10 Датчики на основе микромеханических преобразователей:
давления, расхода, пульсаций, смещения, силы, ускорения.
Термоэлектрические сенсоры.
11
Л-11 Терморезистивные, термоэлектрические, термомеханические,
пироэлектрические преобразователи. Датчики: температуры,
потока, вакуума, термопары, анемометры, болометры, термисторы.
Л-12 Оптические сенсоры: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фотосчетчики. Датчики: светового потока (энергетические, спектральные), оптического поглощения, смещения,
положения.
Л-13 Магнитоэлектрические
сенсоры:
индуктивные
преобразователи, магниторезисторы, магнитотранзисторы;
датчики магнитного поля. Биохимические сенсоры:
электрохимические, термокаталитические, адсорбционные
преобразователи; датчики состава жидкостей и газов; датчики
влажности.
12
13
Д.з.
Л-14 Понятие о математических моделях (ММ) и их классификация. Основные параметры ММ. Основные требования,
предъявляемые к ММ. Физико-математические модели радиоэлектронных компонентов: резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы, трансформаторы,
коммутационные
линии.
Физико-технологические
и топологическая модели элементной базы интегральных
микросхем
Л-15 Применение ЭВМ для автоматизации задач проектирования
(основные этапы развития).
Состав САПР. Принципы построения САПР. Способы
организации размещения данных. Способы структурирования
данных. Понятие о СУБД.
14
15
7
Лабораторный практикум.
Лабораторный практикум не предусмотрен
8
Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
8.1. Рекомендуемая литература.
Основная
1. Парфенов С.Д. Технология микросхем М. В.Ш.,1990.
2. Броудай И., Мерей Дж.. Физические основы микротехнологии. М., Мир, 1985.
9
3. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем. М., В.Ш., 1986.
4. Физические и химические основы нанотехнологий / Рамбиди Н.Г. Берёзкин А.В., Физматлит, 2009, 456 c.
5. Старостин В. В.
Материалы и методы нанотехнологии: учеб. пособие/. - М: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2008. - 431 с.
Дополнительная
1. Введение в микромеханику. Онами М., Ивасмидзу С., Гэнка К., Сиодзава К., Танака К. /
Под ред. Онами М. – М.: Мир, 1987.
2. Агеев О.А., Мамиконова В.М., Петров В.В. и др. Микроэлектронные преобразователи
неэлектрических величин: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000.
8.2. Средства обеспечения дисциплины
- Компьютерная программа моделирования электростатических преобразователей;
- Компьютерная программа моделирования электромагнитных преобразователей;
 Компьютерная программа моделирования процесса электрохимического осаждения
металлов;
- Компьютерная программа моделирования процесса термического окисления кремния;
 Компьютерная программа моделирования процесса ионно-плазменного травления;
- Компьютерная программа моделирования процесса анизотропного травления.
10