«Методы микроскопии»
| Вид материала | Учебная программа курса |
- «Кинетический фазовый контраст в атомно-силовой микроскопии», 25.19kb.
- Исследование рельефа поверхности методами зондовой микроскопии, 173.56kb.
- Л. П. Незлин, д б. н., в н. с., Институт биологии развития им., 9.31kb.
- Предварительная программа XXIII российской конференции по электронной микроскопии, 417.83kb.
- Курс лекций по экологической мелиорации птс план лекций, 534.92kb.
- Исследование поверхности хлопковой целлюлозы методом полуконтактной атомно-силовой, 119.3kb.
- Королева Л. Ф., Экземплярова Е. О., Коковихин, 23kb.
- Список принятых докладов по секциям XXIV российской конференции по электронной микроскопии, 808.69kb.
- С. М. Планкина «Углеродные нанотрубки», 175.71kb.
- 4. медицинская паразитология, 400.43kb.
1 2
I. Пояснительная записка
Основная цель курса: изучение оптических микро- и наноэлектромеханических систем, принципов их проектирования и моделирования, технологии изготовления и областей применения. Материал курса является основой для изучения и применения методов разработки оптических МЭМС / НЭМС при выполнении исследовательской части курсового проекта, курсовых работ по технологии производства ЭВС, квалификационной работы и дипломного проекта.
Задачи курса: получение теоретических и практических навыков работы с методами и средствами проектирования оптической элементной базы микро- и наносистем. Формирование знаний, умений и навыков осуществляется по следующим направлениям деятельности:
- введение в оптические МЭМС / НЭМС;
- классификация и модельный ряд базовых конструктивных реализаций МЭМС / НЭМС;
- оптические МЭМС / НЭМС на базе интерференционных фильтров;
- математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Многолучевая интерференция;
- математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Интерференционные фильтры;
- математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Основные проектировочные расчеты тонкопленочных интерферометров;
- технологические методы и оборудование для создания оптических МЭМС / НЭМС;
- области применения оптических МЭМС / НЭМС на базе интерференционных фильтров.
В результате изучения курса приобретаются следующие профессиональные знания, умения и навыки.
Студент должен знать:
- классификацию оптических микро- и наносистем;
- функциональный состав оптических МЭМС / НЭМС и методы их проектирования;
- основные подходы к моделированию оптических элементов МЭМС / НЭМС: место и роль явлений многолучевой интерференции и интерференционных фильтров;
- основы применения сенсоров на базе оптических МЭМС / НЭМС.
Студент должен уметь:
- разрабатывать оптическую элементную базу микро- и наносистем, удовлетворяющую функциональным требованиям и областям применения;
- разрабатывать модели оптических МЭМС / НЭМС и проводить их исследования.
Студент должен приобрести навыки:
- классификации оптических МЭМС / НЭМС по области применения и функциональному составу;
- моделирования оптических элементов МЭМС / НЭМС;
- проведения проектировочных расчетов оптических элементов МЭМС / НЭМС;
- разработки технологических процессов изготовления оптических МЭМС / НЭМС.
ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Таблица 12 – тематический план
| № п / п | Раздел курса | Лекции, ч | Лабораторные работы, ч | Литература |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 1 | Введение в оптические МЭМС / НЭМС | 4 | – | [1, 13, 14] |
| 2 | Классификация и модельный ряд базовых конструктивных реализаций оптических МЭМС / НЭМС | 4 | – | [1, 13, 14] |
Продолжение таблицы 12
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 3 | Измерительные оптические МЭМС / НЭМС | 4 | 10 | [14, 17] |
| 4 | Математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Многолучевая интерференция | 4 | – | [1, 13] |
| 5 | Математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Интерференционные фильтры | 4 | 8 | [1, 3, 13, 15] |
| 6 | Математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Основные проектировочные расчеты тонкопленочных интерферометров | 4 | 8 | [1, 3, 13, 15] |
| 7 | Технологические методы и оборудование для создания оптических МЭМС / НЭМС | 6 | 10 | [13, 15, 17, 23, 24] |
| 8 | Области применения оптических МЭМС / НЭМС на базе интерференционных фильтров | 6 | - | [1, 13, 14] |
| | Итого: | 36 | 36 | |
Содержание курса
1. Введение в оптические МЭМС / НЭМС.
1.1. Введение в МЭМС. Общие представления и понятия. Разновидности. Свойства. Преимущества и недостатки. «Дорожные карты» развития.
1.2. Микрооптика в МЭМС. Достижения в микрооптике. Оптические переключатели. Перестраиваемые фильтры. Цифровые зеркальные системы. МОЭМС-сканеры. МОЭМС в телекоммуникациях.
2. Измерительные оптические МЭМС / НЭМС.
2.1. Оптическая элементная база. Светопропускающие окна. Зеркала. Линзы. Линзы Френеля. Оптоволокно и волноводы. Концентраторы. Покрытия для теплопоглощения. Электрооптические и акустооптические модуляторы. Интерферометрическая оптоволоконная модуляция.
2.2. Оптические сенсоры. Оптический мост. Бесконтактные датчики. Оптоволоконные сенсоры. Сенсоры Фабри–Перо. Сенсоры на базе дифракционных решеток. Линейные оптические сенсоры (датчики положения).
3. Классификация и модельный ряд базовых конструктивных реализаций оптических МЭМС / НЭМС.
3.1. Оптические фильтры. Интерференционные фильтры. Свойства. Схема работы.
3.2. Классификация по уровню технологии. Макро: интерферометры Майкельсона, Фурье-спектрометры, интерференционные рефрактометры, интерферометры Фабри–Перо, другие виды интерферометров. Микро: многослойные тонкопленочные структуры, МОЭМС. Свойства. Преимущества и недостатки.
3.3. Классификация по возможности настройки. Жесткие фильтры. Перестраиваемые. Свойства. Преимущества и недостатки.
3.4. Классификация по расположению источника света. Фильтры внешнего излучения. Фильтры внутреннего излучения. Свойства. Преимущества и недостатки.
3.5. Классификация по длине волны фильтруемого излучения. Длинноволновые. Коротковолновые. Свойства. Преимущества и недостатки.
4. Математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Многолучевая интерференция.
4.1. Явление многолучевой интерференции. Коэффициент отражения. Интенсивность отраженных и прошедших лучей.
4.2. Анализ физических явлений, лежащих в основе многолучевой интерференции. Интенсивность в фокальной плоскости линзы. Коэффициент резкости.
4.3. Видимость интерференционных полос многолучевых интерферометров. Область свободной дисперсии. Минимально разрешимая полоса пропускания.
4.4. Порядок интерференции многолучевого интерферометра. Эффект увеличения частоты появления интерференционных максимумов. Эффект уменьшения ширины интерференционных максимумов. Нормализованное распределение интенсивности.
4.5. Разрешающая способность многолучевого интерферометра. Критерий разрешимости. Критерий половины интенсивности. Значение разности фаз между двумя соседними длинами волн. Определение разрешающей способности многолучевого интерферометра.
5. Математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Интерференционные фильтры.
5.1. Основные параметры перестраиваемых фильтров. Разрешающая способность. Область свободной дисперсии. Ширина интерференционных пиков. Коэффициент резкости. Порядок интерференции.
5.2. Поглощающая способность покрытий. Поглощающая способность покрытий и ее влияние на свойства перестраиваемых фильтров. Диэлектрическая проницаемость и ее аномальное поведение в оптическом диапазоне длин волн. Методы управления оптическими параметрами фильтров при их конструировании.
6. Математические модели оптических МЭМС / НЭМС. Основные проектировочные расчеты тонкопленочных интерферометров.
6.1. Узкополосный интерференционный фильтр Фабри–Перо. Конструкция и функциональный состав. Коэффициент отражения. Применение многослойных зеркал и четвертьволновых покрытий для увеличения отражательной способности.
6.2. Спейсер. Конструктивная реализация. Свойства. Принцип работы. Влияние на оптические параметры фильтров. Рабочая длина волны интерференционного фильтра.
6.3. Проектировочные расчеты интерференционного фильтра Фабри–Перо. Ширина спейсера. Коэффициент преломления спейсера. Толщина металлических пленок. Коэффициенты преломления металлических пленок. Коэффициенты преломления среды со стороны пленок. Коэффициенты поглощения пленок. Зависимость интенсивности выходного излучения от длины волны. Зависимость коэффициента отражения от длины волны. Зависимость коэффициента пропускания от длины волны. Зависимость коэффициента пропускания от сдвига фазы. Суммарный коэффициент поглощения.
7. Технологические методы и оборудование для создания оптических МЭМС / НЭМС.
7.1. Методы получения тонкопленочных покрытий. Метод термовакуумного напыления. Электронно-лучевое испарение. Диодное распыление. Катодное распыление. Лазерный метод. Химическое осаждение из газовой фазы. Магнетронное напыление. Преимущества и недостатки.
7.2. Метод магнетронного распыления. Принцип действия магнетронной распылительной системы. Катод-мишень, анод, магнитная система. Высокочастотное напыление, напыление с напряжением смещения, высокочастотное травление. Применение метода для получения пленок металлов, полупроводников, полупроводниковых соединений, диэлектриков, сплавов, композитов.
7.3. Разработка типового технологического процесса создания тонкопленочных наноструктур для интерференционных фильтров. Требования к технологическому процессу. Выбор прототипа технологического процесса. Разработка маршрутного технологического процесса. Разработка операционного технологического процесса. Разработка методики напыления. Технологические режимы получения опытных образцов.
8. Области применения оптических МЭМС / НЭМС на базе интерференционных фильтров.
8.1. Классическое применение. Монохроматор Фабри–Перо и спектрометр Фабри–Перо. Фотографическая техника с применением Фабри–Перо. Селективно-интерференционные спектрометры с амплитудной модуляцией.
8.2. Применение в МЭМС / НЭМС. Микрореализация фильтров. Применение фильтров в качестве элементной базы оптоэлектронных устройств. Применение фильтров в реализации различных датчиков. Применение фильтров в гироскопах.
Лабораторные работы по курсу
Таблица 13 – перечень лабораторных работ
| № п / п | Тема лабораторной работы | Объем, ч | Литература |
| 1 | Исследование физических явлений в тонкопленочных структурах оптических измерительных МЭМС | 10 | [1, 13, 14] |
| 2 | Моделирование базовых оптических элементов интерференционных измерительных МЭМС | 8 | [14, 17] |
| 3 | Проектирование и разработка технологического процесса создания базовых оптических элементов интерференционных измерительных МЭМС | 8 | [1, 3, 13, 15] |
| 4 | Исследование поверхностных свойств тонкопленочных структур оптических измерительных МЭМС средствами СЗМ | 10 | [13, 15, 17, 23, 24] |
| | Итого: | 36 | |
Литература
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М. : Наука, 1973.
2. Жиглинский А. Г., Кучинский В. В. Реальный интерферометр Фабри–Перо. – Л. : Машиностроение, 1983.
3. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – Нижний Новгород : Институт физики микроструктур РАН, 2004.
4. Оригинальное описание спектрофотометра PERKIN ELMER Lambda 6 UV/VIS Spectrophotometer.
5. Оригинальное описание установки магнетронного распыления Leybold (LH Z550 Sputtering Plant).
6. Прикладная физическая оптика / И. М. Нагибина [и др.]. – М. : Высшая школа, 2002.
7. Распопов В. Я. Микромеханические приборы. – Тула : ТулГУ, 2002.
8. Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / Пер. с англ. Ю. А. Заболотная; Ред. пер. Е. Л. Свинцов. – М. : Техносфера, 2006.
9. Danny Banks. Microengineering, MEMS, and Interfacing – A Practical Guide. – CRC Press, 2006.
10. Jenkins F. A., White H. E. Fundamentals of Optics. – New York : McGraw-Hill Inc., 1976.
11. Macleod H. A. Thin-film Optical Filters. – Bristol : Adam Higler, 1986.
12. Manouchehr E. Motamedi. MOEMS: Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems. – SPIE Press, 2005.
13. Monzon J. J., Sanchez-Soto L. L. On the definition of absorption for a Fabry–Perot interferometer // Pure Appl. Opt. – 1992. – 1.
14. New Semiconductor Materials. Characteristics and Properties. n, k database. Ioffe Physico-Technical Institute // Electronic archive. – 2003.
15. Tunable Fabry–Perot filters / P. D. Atherton [et al.] // Opt. Eng. – 1981. – 20(6).
2.5 Программа профессионального модуля «Система автоматизированного проектирования Catia»
Пояснительная записка
Программа профессионального модуля по направлению «Системы автоматизированного проектирования в наноиндустрии» предназначена для реализации требований к минимуму содержания и уровню подготовки специалистов, имеющих среднее профессиональное образование. Программа подготовки предусматривает модульную систему обучения и, в зависимости от начальных знаний и поставленных перед специалистом задач, можно выбрать наиболее оптимальные – базовое (Catia механика), расширенное (Catia СПДС, ОПС) и узкоспециализированное (Catia стройплощадка) направление обучения.
Цели курса: изучение базовых концепций современных систем автоматизированной разработки в области наноиндустрии; рассмотрение практических аспектов создания и использования готовой документации, проектов, концепций.
В курсе изучаются особенности работы в различных компонентах продукта Catia, а также узкоспециализированных приложений к ним.
В нем последовательно изложены базовые концепции «Системы автоматизированного проектирования» Catia, введение в построение чертежей различных сфер деятельности, моделирование процессов в программе, использование объектов и работа с ними.
Большое внимание в курсе уделяется такой актуальной проблеме, как трехмерное моделирование nano-элементов.
Цель: получение студентами знаний о методах автоматизированного проектирования микроэлектромеханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем (НЭМС) различного уровня иерархии.
Задачами курса является изучение:
- моделирования элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода;
- моделирования МЭМС и НЭМС на компонентном
уровне;
- автоматизированного проектирования элементов МЭМС
и НЭМС на основе междисциплинарного подхода;
- автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентом уровне;
- программного обеспечения автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Знания, умения и профессиональные компетенции, получаемые после освоения курса
- знание теоретических основ методов и средств формализованного описания МЭМС и НЭМС для автоматизированного проектирования;
- теоретических основ автоматизации проектирования МЭМС и НЭМС;
- особенности применения метода конечных элементов для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС;
- теоретических основ проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне.
- умение разрабатывать формальные процедуры решения задач автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС;
- способность моделировать элементы МЭМС и НЭМС адекватно протекающим в них тепловым, механическим, электромагнитным и другим физическим процессам;
- умение разрабатывать: а) схемы алгоритмов и б) программы решения на ЭВМ частных задач проектирования элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода и проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне;
- применение программного обеспечения систем автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС при решении задач проектирования МЭМС и НЭМС.
- готовность использования современных методов и средств автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС;
- стремление к разработке математических моделей элементов МЭМС
и НЭМС с использованием средств ВТ;
- умение решать на ЭВМ частных задач проектирования элементов МЭМС и НЭМС на основе междисциплинарного подхода и проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне;
- самостоятельно применять интегрированные маршруты автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС.
Тематический план
Таблица 14 – тематический план
| № | Раздел | Практические занятия |
| 1 | Введение. Знакомство с операционной системой. Понятия «файл» и «папка». Рабочий стол пользователя. | 4 |
| 2 | Введение в САПР Catia. Создание чертежей. Объекты. | 10 |
| 3 | Расширенные возможности Catia. | 12 |
| 4 | Трехмерное моделирование в САПР Catia. | 12 |
| 5 | Специализированные приложения. | 12 |
| 6 | База данных элементов. | 12 |
| 7 | Изучение механизма адаптации программы в соответствии с требованиями ГОСТ, ЕСКД и СТП. | 10 |
| | Итого: | 72 |
Содержание курса
1. Введение. Знакомство с операционной системой. Понятия «файл» и «папка». Рабочий стол пользователя. Элементы управления компьютером. Тип файла и программа-редактор. Работа с различными носителями информации. Операции копирования/ вставки. Печать документов.
2.Введение в САПР. Введение в Catia. Обучение основам создания чертежей. Что такое Catia. Применение его на практике. История развития программы. Версии программы. Версии форматов файлов dwg. Интерфейс Catia. Изучение элементов интерфейса. Рабочие пространства. Классическое рабочее пространство. Панели и команды. Командная строка. Создание чертежа. Шаблон чертежа. Расположение шаблонов в профилях пользователей Windows. Понятие о слоях. Основные простые объекты (примитивы). Линия, окружность, полилиния, точка. Понятие о стилях. Стиль текста и размерный стиль. Системы координат. Их назначение. Ввод координат. Методы точного черчения. Привязки. Отслеживания. Применение ввода размеров с клавиатуры. Редактирование объектов «ручками». Информация об объектах. Местоположение и расстояние. Площадь. Команды редактирования объектов Catia. Свойства объектов. Копирование свойств. Управление изображением на экране с помощью мыши и команд. Оформление чертежа. Основные приемы и понятия. Размеры и размерные стили. Таблицы и стили таблиц. Пространство модели и листа. Понятие видового экрана. Применение на практике при оформлении чертежей. Основы вывода на печать. Аннотативность объектов оформления. Понятие масштаба аннотаций. Центр управления Catia.
3. Расширенные возможности Catia. Обучение дополнительным возможностям выбора объектов. Быстрый выбор. Фильтры объектов и слоев. Мультилинии. Создание и редактирование. Стили мультилиний. Понятие о системных переменных. Примеры настроек с помощью системных переменных. Блоки. Создание и редактирование блоков. Динамические блоки. Атрибуты блоков. Извлечение атрибутов. Внешние ссылки и приемы работы с ними. Наложенные и вставленные внешние ссылки. Вставка растровых изображений. Технология внедрения объектов (OLE). Введение в трехмерное моделирование. Понятие о визуализации.
4. Обучение Catia по работе в среде трехмерного моделирования. Понятие о трехмерных моделях. Тела и поверхности. Третье измерение в Catia. Шаблон для 3D-моделирования. Пульт управления. Инструментальные палитры. Системы координат. Понятие о плоскости X-Y. Команды редактирования пользовательских систем координат. Использование динамических систем координат. Виды трехмерных объектов и их основные свойства (каркас, трехмерные сети, поверхности, тела, понятие о трехмерной высоте объектов). Создание и редактирование эскизов. Замкнутые и разомкнутые эскизы. Методы построения трехмерных моделей (выдавливание, сдвиг по траектории, вращение вокруг оси, преобразование плоских объектов). Понятие о примитивах поверхностей, поверхность вращения, сдвига, соединения, поверхность Кунса. Примитивы тел (параллелепипед, клин, конус, шар, цилиндр, тор, пирамида, политело). Спираль. Методы модификации тел. Создание тел на основе поверхностей..
5. Обучение работе со специализированными приложениями. Знакомство со специализированными приложениями и областью их применения. Инструментальные палитры. Практические работы по созданию собственных библиотек, тематических баз и способы их использования. Создание собственной базы данных элементов. Изучение механизма адаптации программы в соответствии с требованиями ГОСТ, ЕСКД и СТП.
Практические занятия
Таблица 15 – перечень практических занятий
| № п/п | Тема | Объем, ч | Литература |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | Общие сведения о проектировании МЭМС и НЭМС | 9 | [1, 2, 5, 8, 11] |
| 2 | Общие сведения об автоматизированном проектировании МЭМС и НЭМС | 9 | [1, 2, 7, 12] |
| 3 | Практическое применение метода конечных элементов в программном комплексе CATIA | 9 | [3, 6, 9] |
| 4 | Применение программного комплекса CATIA для гармонического и теплового анализа элементов МЭМС и НЭМС. Применение программного комплекса CATIA для электромагнитного анализа элементов МЭМС и НЭМС | 9 | [3, 6, 9] |
Продолжение таблицы 15
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 5 | Применение программного комплекса CATIA для моделирования элементов МЭМС и НЭМС | 9 | |
| 6 | Применение пакета Catia для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС на компонентном уровне | 9 | [3, 9] |
| 7 | Изучение применения модуля SUGAR для автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС | 9 | [3, 9] |
| 8 | Применение интегрированных пакетов автоматизированного проектирования МЭМС и НЭМС | 9 | [9, 10] |
| | Итого | 72 | |
Список используемых источников
1. Варадан В., Виной К., Джозе К. ВЧ МЭМС и их применение / Пер. с англ. под ред. Ю. А. Заболотной. – М. : Техносфера, 2004. – 525 с.
2. Дьяконов В. П. Mаtlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. – М. : СОЛОН-Пресс, 2005. – 575 с.
3. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. А. CATIA в руках инженера. – М. : Едиториал УРСС, 2003. – 269 с.
4. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника : сборник статей / Под ред. П. П. Мальцева. – М. : Техносфера, 2006.
5. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования : учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. – 446 с.
6. Потапов Ю. Программное обеспечение Coventor // Chip News. – 2002. – № 2. – С. 62–67.
7. Фрайден Дж. Современные датчики : справочник / Пер.
с англ. Ю. А. Заболотной; ред. пер. Е. Л. Свинцов. – М. : Техносфера, 2006. – 588 с.
8. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. CATIA для инженеров : справочное пособие. – М. : Машиностроение, 2004. –511 с.
9. Шахнов В. А., Панфилов Ю. В., Власов А. И. и др. Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование. – М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. – 100 с.
10. Яшин К. Д., Лацапнёв Е. В., Осипович В. С. Системы автоматизированного проектирования МЭМС // Информационные технологии. – 2007. – № 11. – C. 22–28.
11. Яшин К. Д., Осипович В. С., Божко Т. Г. Разработка МЭМС // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 1. – С. 28–34.
12. Яшин К. Д., Осипович В. С., Божко Т. Г. Современные разработки МЭМС // Нано- и микросистемная техника. – 2008. – № 5. – С. 57–64.