Министерство образования Российской Федерации
УТВЕРЖДАЮ
Начальник Управления образовательных
программ и стандартов высшего и среднего
___________________
«____» _____________ 2000 г.
Примерная программа дисциплины
«МАТЕРИАЛЫ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ»
Рекомендуется Минобразованием России для специальности
201900 – «МикроСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА»
направления подготовки дипломированного специалиста
654100 ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
1. Цели задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины является формирование знаний в области механических, теплофизических, электрофизических, оптических и химических свойств материалов, используемых при создании сверхминиатюрных приборов, механизмов и машин с учетом особенностей их функционирования и условий эксплуатации.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
2.1. Знать:
- классификацию материалов микросистемной техники;
- основные физико-химические свойства материалов, используемых в микросистемной технике;
- физические эффекты и явления, лежащие в основе применения материалов в микросистемной технике.
2.2. Уметь:
- осуществлять выбор материалов для реализации компонентов микросистемной техники с учетом конструкции, технологии их создания и условий эксплуатации;
- осуществлять сравнение характеристик материалов микросистемной техники и определять область их рационального применения.
2.3. Иметь навыки:
- анализа физико-химических свойств материалов, используемых в микросистемной технике;
- применения различных материалов для создания компонентов микросистемной техники.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
Общая трудоемкость дисциплины | 100 | 7 | |||
Аудиторные занятия | 68 | 7 | |||
Лекции | 51 | 7 | |||
Практические занятия (ПЗ) | - | ||||
Лабораторные работы (ЛР) | 17 | 7 | |||
Самостоятельная работа | 32 | 7 | |||
Курсовой проект (работа) | - | ||||
Другие виды самостоятельной работы | 32 | 7 | |||
Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | Зачет, экзамен |
4. Содержание дисциплины
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
№ п. п. | Раздел дисциплины | Лекции | ПЗ | ЛР |
Введение | * | — | — | |
1. | Основы тензорного и симметрийного описания физических свойств конденсированных сред | * | — | — |
2. | Поверхность как особая область твердого тела | * | — | * |
3. | Механические свойства твердых тел | * | — | * |
4. | Основные электрофизические, теплофизические и химические свойства конденсированных сред | * | — | * |
5. | Физико-материаловедческий базис гальваномагнитных, термомагнитных и термоэлектрических компонентов | * | — | * |
6. | Функционально-активные диэлектрические материалы | * | — | * |
7. | Функционально активные магнитные материалы | * | — | * |
8. | Оптически активные материалы | * | — | * |
9. | Адаптивно-рефлексивные материалы | * | — | * |
Заключение | * | — | — |
4.2. Содержание разделов дисциплины
· Введение
Классификация материалов микросистемной техники: конструкционные, функционально-актвные, адаптивно-рефлексивные, самоорганизующиеся среды. Физико-химическая природа материалов микросистемной техники и области применения.
* 1. Основы тензорного и симметрийного описания физических свойств конденсированных сред.
Классификация конденсированных сред по структурным признакам: кристаллы, полимеры, жидкие кристаллы, аморфные вещества, жидкости; понятие функции радиального распределения. Структурно-морфологические характеристики конденсированных сред: однородность, изотропия, анизотропия периодичность, симметрия, огранение, габитус. Тензорное описание свойств конденсированных сред: скаляры, векторы. тензоры. Симметрийное описание свойств конденсированных сред: операции симметрии, основы теории групп, соотношение между точечной симметрией кристалла и симметрией физических свойств.
· 2. Поверхность как особая область твердого тела.
Идеальная и реальная поверхность твердого тела. Структурно-механические свойства поверхности: микро - и наношероховатость, микро - и нанопористость, микротрещины, краевые и винтовые дислокации, точечные дефекты; триботехнические характеристики поверхности, коэффициент трения скольжения, износостойкость, антифрикционные слои.
Электрофизические свойства поверхности: зарядовые состояния, встроенный и индуцированный заряды, электростатическое взаимодействие заряженных поверхностей; поверхностно-активные вещества; термоэлектронная, электронная и ионно-полевая эмиссии; электромагнитное взаимодействие, электромагнитная индукция, токи индуцированные электромагнитными полями, скин-эффект. Проявление размерных эффектов и эффектов масштабирования при электростатических и электромагнитных взаимодействиях.
· 3. Механические свойства твердых тел.
Основные характеристики механических свойств твердых тел: упругость, пластичность, прочность, твердость, хрупкость.
Упругие свойства твердых тел: напряжение деформации, закон Гука, модуль Юнга, коэффициент Пуассона, адиабатические и изотермические значения коэффициентов упругости, упругие волны в кристаллах, пределы упругости и текучесть.
Пластическая деформация: трансляционное скольжение, линии скольжения, диффузионно-дислокационное описание пластической деформации, закон критического скалывающего напряжения, влияние температуры, скорости деформации и радиационных воздействий, твердофазные мартенситные превращения.
Механизмы разрушения твердых тел: предел прочности, закон критического нормального напряжения, теоретическая и реальная прочность, плоскость спайности, микротрещины, дефекты поверхности, эффекты Иоффе и Ребиндера.
Структурные, временные и температурные зависимости механических свойств материалов и композиций: кристаллохимическая и термомеханическая совместимость, механическая и термомеханическая усталость. Механические свойства основных конструкционных материалов микросистемной техники: кремний, поликристаллический и пористый кремний, диоксид и нитрид кремния, кварц, стекло, ситалл, никель, вольфрам, термопласты, эластомеры, атифрикционные материалы.
· 4. Основные электрофизические, теплофизические и химические свойства конденсированных сред.
Электропроводность и теплопроводность: аналогия описания электро - и теплопроводности, коэффициенты электро - и теплопроводности, электро - и тепловое сопротивление, особенности процессов электро - и теплопроводности в твердых телах (металлы, полупроводники, диэлектрики) и жидкостях; сверхпроводимость, электрохимический массоперенос, электрофорез.
Электрическая стойкость: критическая и пробивная напряженность электрического поля, электрическая, электротепловая и электрохимическая деградации.
Тепловая стойкость: температура Дебая, тепловое расширение, размягчение, плавление. Электрические, тепловые свойства и химическая стойкость основных конструкционных материалов микросистемной техники.
· 5. Физико-материаловедческий базис гальваномагнитных, термомагнитных и термоэлектрических компонентов.
Влияние магнитного поля на электрические и термоэлектрические свойства: эффекты Холла, Нернста, Риги-Ледюка, Эттинсгаузена, магнитосопротивление, датчики Холла.
Термоэлектрические явления: термоэлектродвижущая сила, эффекты Зеебека и Пельтье, эффект Томсона, термоэлектрические генераторы и холодильники, кпд, базовые материалы (Bi2Te3, Sb2Te3).
· 6. Функционально-активные диэлектрические материалы.
Спонтанная и вынужденная поляризации диэлектриков: сегнетоэлектрики, доменная структура, точка Кюри, закон Кюри-Вейса, электрический гистерезис, память, полярные сегнетоэлектрические фазы.
Электретное состояние диэлектрика: термо-, фото-, электроэлектреты, гомо - и гетерозаряды, локализация зарядов, время жизни электретов, влияние температуры и влажности. Неорганические и органические электреты: диоксид кремния, фторопласт, политетрофторэтилен, полиметилметакрилат; электреты как приемники механических колебаний, электростатические чувствительные элементы.
Материалы для пьезоэлектрических преобразователей: прямой и обратный пьезоэффект, электрострикция; электромеханическое преобразование, коэффициент электромеханической связи. Пьезоэлектрики: кварц, титанат бария, ниобат и танталат лития, окись цинка, нитрид алюминия, целлюлоза, биополимеры; генерация и регистрация механических колебаний, источники высокого напряжения.
Материалы для пироэлектрических преобразователей: пироэлектрический и электрокаллорический эффекты; пироэлектрическая поляризация, изменение температуры при наличии электрического поля. Пироэлектрические материалы: титанат-цирконат стронция, триглицинсульфат, поляризованные пленки поливинилфторида и поливинилхлорида; источники напряжения, пироэлектрические фотоприемники.
· 7. Функционально активные магнитные материалы.
Материалы для магнитострикционных преобразователей: магнитострикционный эффект, линейная и спонтанная магнитострикции, коэффициент магнитострикции, механострикция, точки Кюри и Нееля. Магнитный гистерезис, память. Ферромагнетики: железо, никель, редкоземельные металлы и их сплавы и соединения, керамические ферриты, феррит-гранаты; генерация и регистрация механических колебаний, линии задержки.
· 8. Оптически активные материалы.
Оптические свойства кристаллов: одноосные и двуосные кристаллы, тензор диэлектрической проницаемости, обыкновенная и необыкновенная волны, двойное лучепреломление, поляризация, люминесценция, квантовый выход.
Электро - и магнито-оптические эффекты: зависимость показателя преломления от напряженности полей, эффекты Поккельса и Керра; дифракция света на акустических волнах; нелинейные оптические эффекты при воздействии световых пучков высокой интенсивности. Нематические, холистерические, смектические жидкие кристаллы в электрическом поле, эффекты динамического рассеяния света. Фото - и электролюминесценция, инжекционные и накаливаемые излучатели.
· 9. Адаптивно-рефлексивные материалы.
Исторический базис конформных материалов: классические биметаллические ленты, марганцевоникелевые и железоникелевые сплавы, инвар.
Интеллектуальные конструкции на основе материалов с «памятью формы»: эффект «памяти формы», мартенсит-аустенитные превращения, статическая и динамическая модель композита с армированием материалами с «памятью формы». Материалы с «памятью формы»: никель-титановые сплавы, армированные волокнистые и слоистые композиты на основе стекло - и углепластиков; механические сборные конструкции, рекуператоры энергии и движения.
Интеллектуальные конструкции на основе активных диэлектрических и магнитных материалов, использование пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов; статическая и динамическая модель армированного композиционного материала с применением магнитострикционных сплавов, пьезокерамики и пьезополимеров; сплавы на основе железа с добавлением редкоземельных металлов, композиты на основе титаната-цирконата свинца, поливинилденфторида. Активные конформные конструкции и поверхности.
Интеллектуальные материалы на основе электрореологических жидкостей, зависимость вязкости от электрического поля, гидравлические муфты, успокоители колебаний.
· Заключение
Эволюция материаловедческого базиса, интеллектуальные материалы и конструкции. Бионические принципы построения и функционирования: искусственное управление, рефлексивное обучение, самоорганизация.
5. Лабораторные и практические занятия
5.1. Лабораторный практикум
№ | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ |
1 | 1 | — |
2 | 2 | - Исследование микрошероховатости поверхности твердых тел. - Исследование триботехнических характеристик поверхности. - Нанесение и исследование слоев поверхностно-активных веществ. |
3 | 3 | - Исследование механических свойств кремниевых конструкционных материалов. - Исследование термомеханических напряжений в многослойных композициях «кремний – диоксид кремния». |
4 | 4 | - Исследование теплопроводности твердых тел. - Исследование электропроводности жидкости. - Исследование явления электрофореза в жидких органических средах. |
5 | 5 | - Исследование термоэлектрических свойств телуридов висмута. - Исследование Германия как материала для датчиков Холла. |
6 | 6 | - Исследование электрического гистерезиса в сегнетоэлектрических материалах. - Исследование времени жизни электретов. - Определение коэффициента электромеханической связи для пьезоэлектрика. - Изучение пироэлектрического эффекта в титанате-цирконате стронция. |
7 | 7 | - Изучение явления магнитострикции. - Исследование магнитного гистерезиса. |
8 | 8. | - Исследование эффекта Поккельса. - Исследование эффекта Керра. - Исследование электрооптических свойств жидких кристаллов. |
9 | 9 | - Исследование биметаллической ленты. - Исследование эффекта «памяти формы» в никель-титановых сплавах. - Исследование свойств электрореологических жидкостей. |
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература
1. , , Тореев материалы. Л. Энергоатомиздат, 1985.
2. , Пасынков электронной техники. М.: Высшая школа, 1986.
3. , Поплавко . Основные свойства и применение в электронике. М. Радио и связь, 1989.
4. Преображенский материалы и элементы. М. Высшая школа, 1986.
5. Ормонд в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М. Высшая школа, 1982.
6. Тареев диэлектрических материалов. М. Энергоиздат, 1982.
б) дополнительная литература
1. Электреты. Под ред Г. Сесслера. М. Мир, 1983.
2. , , Фельдман преобразователи. М. Сов. Радио, 1979.
3. Пихтин основы квантовой электроники и оптоэлектроники. М. Высшая школа, 1983.
4. Основы оптоэлектроники. Под ред . М. Мир, 1988.
5. , , Пчелко и расчет электромеханических преобразователей на активных диэлектриках. РИО ЭТУ, 1995.
6. Введение в микромеханику. Под ред. М. Онами. М. Металлургия, 1987.
7. Рычина Т. А., Зеленский А. В. устройства функциональной электроники и электрорадиоматериалы. М. Радио и связь, 1989.
8. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Корицкого Ю. В., Пасынкова В. В., , 1988.
9. Щука электроника. М. МИРЭА, 1998.
10. , , Пчелко и компоненты функциональной электроники. СПбГЭТУ, 1999.
6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.
- Компьютерная база данных электротехнических материалов.
- Компьютерная программа моделирования зависимости габитуса от симметрии кристалла.
- Компьютерная программа моделирования электростатического взаимодействия заряженных поверхностей.
- Компьютерная программа моделирования скин-эффекта.
- Компьютерная программа моделирования термомеханической совместимости материалов.
- Компьютерная программа моделирования пластической деформации.
- Компьютерная программа моделирования электрофоретического разделения в жидких средах.
- Компьютерная программа моделирования электрического пробоя.
- Компьютерная программа моделирования электротепловой деградации.
- Компьютерная программа моделирования прямого и обратного пьезоэффектов.
- Компьютерная программа моделирования пироэлектрического и каллорического эффектов.
- Компьютерная программа моделирования магнитострикционного эффекта.
- Компьютерная программа моделирования эффекта Поккельса
- Компьютерная программа моделирования эффекта Керра.
- Компьютерная программа моделирования интеллектуальной конструкции на материалах с эффектом «памяти формы».
- Компьютерная программа моделирования течения электрореологических жидкостей.
7. Материально-техническое обеспечения дисциплины.
- Лаборатория механических свойств твердых тел:
- Приборы оптической микроскопии.
- Туннельный микропрофилометр.
- Прибор для измерения микротвердости с алмазным индентором.
- Оптический динамометр для исследования пластических свойств кристаллов фотоэлектрическим методом.
- Стенд для исследования термомеханических напряжений методом лазерной интерференции.
- Лаборатория электрофизических и теплофизических свойств конденсированных сред:
- Стенд для исследования теплопроводности твердых тел.
- Стенд для исследования электропроводности жидкости.
- Установка капиллярного электрофореза.
- Стенд для исследования эффектов Зеебека и Пельтье.
- Стенд для исследования эффекта Холла.
- Стенд для исследования поверхностного заряда электретов.
- Стенд для исследования пьезоэффекта.
- Стенд для исследования магнитострикционного эффекта.
- Стенд для исследования материалов с эффектом «памяти формы».
- Лаборатория оптических свойств материалов:
- Стенд для исследования поляризации света.
- Стенд для исследования эффекта Поккельса.
- Стенд для исследования эффекта Керра.
- Стенд для исследования спектральных характеристик люминофоров.
8. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Для реализации целей и задач курса предлагается предусмотреть в рамках выполнения лабораторного практикума и самостоятельной работы студентов компьютерное моделирование базовых физических процессов, являющихся основой практического использования материалов микросистемной техники. В рамках компьютерного моделирования должен быть обеспечен навык решения следующих задач:
- анализа основных характеристик и параметров объекта моделирования;
- выбора и обоснование метода моделирования;
- расчета параметров объекта моделирования;
- графического представления результатов моделирования;
- анализа полученных результатов и их обобщения.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированных специалистов 654100 - "Электроника и микроэлектроника", специальность 201900 "Микросистемная техника".
Программу составили:
-профессор С.-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" | |
- профессор Московского института стали и сплавов (Технический университет) «МИСИС» | |
-доцент С.-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" |
Программа одобрена на заседании Учебно-методического Совета по направлению подготовки дипломированных специалистов 654.100 – «Электроника и микроэлектроника»,
__15 ноября 2000 г.__ протокол №__4___________
Председатель Совета УМО по образованию в области автоматики, электроники, микроэлектроники и радиотехники, профессор
_______________________
