Geum.ru

Рекомендуется Минобразованием России для специальности 201900 «Микросистемная техника» направления подготовки диплом

Вид материалаДиплом

Содержание


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.
Подобный материал:

Министерство образования Российской Федерации


УТВЕРЖДАЮ

Начальник Управления образовательных

программ и стандартов высшего и среднего

профессионального образования

___________________ Г.К. Шестаков


«____» _____________ 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. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тореев Б.М. Электротехнические материалы. Л. Энергоатомиздат, 1985.
  2. Сорокин В.С., Пасынков В.В. Материалы электронной техники. М.: Высшая школа, 1986.
  3. Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применение в электронике. М. Радио и связь, 1989.
  4. Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. М. Высшая школа, 1986.
  5. Ормонд Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М. Высшая школа, 1982.
  6. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М. Энергоиздат, 1982.


б) дополнительная литература
  1. Электреты. Под ред Г. Сесслера. М. Мир, 1983.
  2. Новик В.К., Гаврилов Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. М. Сов. Радио, 1979.
  3. Пихтин А.Н. Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники. М. Высшая школа, 1983.
  4. Основы оптоэлектроники. Под ред К.М. Голанта. М. Мир, 1988.
  5. Ганенков Н.А., Закржевский В.И., Пчелко Н.С. Теория 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., Тареева Б.М. Л. Энергоиздат, 1988.
  9. Щука А.А. Функциональная электроника. М. МИРЭА, 1998.
  10. Афанасьев В.П., Ганенков Н.А., Пчелко Н.С. Материалы 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:

Лучинин В. В.
-профессор С.-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ"

Дашевский М.Я.
- профессор Московского института стали и сплавов (Технический университет) «МИСИС»

Пчелко Н.С.
-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

_______________________ Пузанков Д.В.