Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

VLSI áramkörök, Mikroelektronika

A tárgy megismerteti a hallgatókat a mikroelektronika korszerű megoldásaival és legújabb eredményeivel, valamint az integrált mikrorendszerek (MEMS, MOEMS) jellegzetes struktúráival, azok működési elvével. Részletesen tárgyalja a konstrukció és a tesztelés kérdéseit.

Alkatrészek (tranzisztor, ellenállás, kondenzátor, stb.) megvalósítása a bipoláris és a MOS technológiákban. Jellemzőik, elektromos kvalitásaik az alkalmazott technológia függvényében. Technológia és eszközkonstrukció összefüggései. Az eszközök modellezésének kérdései. A szubmikronos eszközök megvalósítása által felvetett új problémák. Elektromigráció.

A mikrorendszer meghatározása. A méretcsökkentés (scale down) hatása a (mikro)rendszerek jellemzőire. Karakterisztikus távolságok és idők származtatása és szerepe a mikrotechnikában. Mikro(mechanikai) rendszerek megvalósítására alkalmas speciális technológiai eljárások: nagy magasság/szélesség viszony elérése. Felületi és tömbi megmunkálási technikák: réteg leválasztás, megmunkálás, izotrop és anizotrop marási technikák, száraz marás (plazma marás), nedves kémiai marási eljárások, elektrokémiai eljárások, marási szelektivitás. Szeletek egymáshoz kötése. Feláldozandó réteg technika. Az IC gyártással kompatibilis módszerek. A LIGA eljárás. Szabványos MEMS technológiák: MUMPS, SUMMiT V, TDSI MIDIS, AMS Bulk Micromachining stb.

A szilárdságtan alap-összefüggései. Feszültség, deformáció, Hooke törvény. Csúsztató feszültség. A szilárdságtan tenzor elmélete. A feszültségtenzor és a deformációtenzor. Tenzoriális rugalmassági modulus. A szilícium esete. A hajlított rúd. A másodrendű nyomaték. A görbületi sugár függése a nyomatéktól. A csavart rúd. A hajlításra terhelt konzol alakváltozása. A rugóengedékenység számítása. A mindkét végén befogott rugó engedékenysége. Konzol mechanikai rezonancia-frekvenciájának számítása (hajlító módus). Koncentrált paraméteres közelítés. Az elosztott paraméteres probléma differenciál-egyenlete.

Mechanikai érzékelők: gyorsulásmérő egység. Felépítés, működés. Az érzékenység számítása. A gyorsulás-mérőben alkalmazható elmozdulás érzékelési módok. Nyomásmérő mikroérzékelők (abszolút és relatív), membrántechnológiák.

Az elektro-termikus transzportegyenletek. Seebeck, Peltier és Thomson effektus. Hőmérséklet érzékelők: termoellenállás, pn diódás érzékelő, bipoláris tranzisztoros érzékelő. A PTAT elv. MOS tranzisztoros érzékelő. Hőmérséklet gradiens érzékelés termoelemmel.

Termikus elvű infravörös sugárzás érzékelő. Az érzékenység számítása (zajjal megegyező bemeneti jelszint). Termikus elvű effektív érték mérő. Áramlási sebesség és irány érzékelése termikus elven.

Egyéb mikroérzékelők: elektromos, mágneses, sugárzás és kémiai érzékelők.

Beavatkozók: fénymoduláció elfordítható mikrotükörrel. Az elektrosztatikus mozgatás nyomatékának számítása. Nyomaték-elfordulás diagram, a lehetséges stabil állapotok. Elektrosztatikus mikromotorok és egyéb mozgató mechanizmusok.

Áramlástan alapjai, mikrofluidika, Lab-on-Chip rendszerek. Pneumatikus mikrorendszerek: pneumatikus erősítő mikromegmunkálással. Mikrorendszerek hűtése.

Jellegzetes méréstechnikai módszerek, amelyek a használatos anyagok és struktúrák villamos, optikai, mikromechanikai tulajdonságainak mérésére szolgálnak (elektronmikroszkópia, mikroanalitika, röntgenvizsgálati és mikromechanikai letapogatáson alapuló módszerek, infravörös termográfia, termikus tranziens tesztelés, fotonikai eszközök (LED) kombinált optikai, elektromos, termikus tesztelése)

Elektromos, mechanikai, optikai elemeket tartalmazó komplex mikrorendszerek tervezési, megvalósítási, tesztelési kérdései. A tervezés gépi eszközei: fizikai szimulátorok. Modellezés (ROM, kompakt modellezés, elosztott és koncentrált modellek); csatolt multi-domain rendszerek leírása magasszintű nyelven.

Előadás és szeminárium

a. A szorgalmi időszakban: az aláírás feltétele 1 db házi feladat min. elégséges szintű kidolgozása: egy-egy mikroelektronikai vagy MEMS témájú, angol nyelvű folyóiratcikk feldolgozása és szeminárium jellegű előadása..

b. A vizsgaidőszakban: írásbeli és szóbeli vizsgát tartunk.

A házi feladat a pótlási héten pótolható.

Konzultálni az előadókkal történt személyes egyeztetés alapján lehetséges.

Mikroelektronika és Elektronikai Technológia, Szerk. Dr. Mojzes I. Műszaki Könyvkiadó, 1995

A. S. Sedra, K. C. Smith: Microelectronic circuits, Oxford University Press, 1998

CMOS Analog Circuit Design, P.E.Allen, D.R. Holberg, Oxford University Press, 1987

Microsensors, J.W. Gardner, John Wiley & Sons, 1994

Mikromechanik, A. Heuberger (Hrsg), Springer Verlag, 1991

IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems folyóirat egyes számai

MSTnews International Newsletter on Microsystems and MEMS folyóirat egyes számai

Clemens J. M. Lasance András Poppe: Thermal Management for LED Applications, Springer 2014

Vijay K. Varadan, K. J. Vinoy, S. Gopalakrishnan: Smart Material Systems and MEMS:

Design and Development Methodologies, John Wiley & Sons, 2006

Volker Kempe: Inertial MEMS Principles and Practice, Cambridge University Press, 2011

Stephen D. Senturia: Microsystem Design, Kluwer Academics Publisher 2002

Baltes, Brand, Fedder Hierold, Korvink, Tabata: Advanced Micro & Nanosystems Volume 2 CMOS – MEMS, Wiley-VCH, 2005

Maluf, Williams: An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering, Artech House, Inc., 2004

Lau, Lee, Premachandran, Aibin: Advanced MEMS Packaging, The McGraw-Hill Companies, 2010

T. Bechtold E.B. Rudnyi J.G. Korvink: Fast Simulation of Electro-Thermal MEMS, Springer, 2006