MikrosysteemitLaajuus (3 op)

Osaamistavoitteet

Mikrosysteemit ovat piitekniikan toinen vallankumous, jonka vaikutukset näkyvät kaikilla elämän aloilla ja joka vielä jatkuu voimallisena. Pii on ainutlaatuinen materiaali sähköisesti, mekaanisesti, optisesti sekä termisesti. Mikrosysteemitekniikoilla piipalaan voidaan integroida mikropiirin lisäksi erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia toimintoja. Yleisimpiä toimintoja ovat sähkömekaaniset ja -optiset toiminnot.

Mikrosysteemitekniikan osa-alueita ovat mikropiiritekniikat, mikromekaniikka, mikro-optiikka ja mikrofluidistiikka. Mikromekaniikkaa voidaan valmistaa pintaliitostekniikoilla ja ns. 3D- bulk tekniikoilla. Sovellusesimerkkejä ovat miniatyrisoidut optiset kaasuanalysaattorit, mikropumput, integroidut anturit ja suurtaajuiset mekaaniset resonaattorit sekä suotimet. Sovelluskohteina ovat lääketieteen laitteet, bioinstrumentit, autosovellukset, kulutuselektroniikan tuotteet, raskaan kaluston kulkuneuvot ja koneet, ilmailu, . . .

Opintojakson tavoitteena on perehtyminen mikrosysteemitekniikoihin siinä laajuudessa, että pystyy soveltamaan mikrosysteemeitä erilaisiin tehtäviin ja etsimään niille sopivia sovelluksia. Sähköinen kytkeytyminen mikromekaniikka-anturien ulostuloon käydään läpi.

Sisältö

1. Mitä kaikkea on mikrosysteemitekniikka , sovellukset, uudet sovellusalueet, markkinat ja uudet tekniikat.
Mikromekaniikan materiaalit ja niiden erityispiirteet. Mikroanturisovelluksien mekaanis-sähköinen kytkeytyminen käydään läpi kapasitiivisessa kiihtyvyysanturissa ja paineanturissa. Mikromekaniikan sovellusten mallinnus ja simulointi APLAC- , Multiphysics(COMSOL)- sekä MatLab Simulink- työkaluilla.
2. Mikrosysteemien anturi-ilmiöt: resistiivinen, pietsosähköinen, pyrosähköinen, pietsoresistiivinen, lämpösähköinen, Hall- ja magnetoresistiivinen ilmiö. Aktuaattorisovellukset, MSM- materiaalit ja kaasuvaimennus käydään läpi. Differentiaalinen kapasitiivinen kytkentä ja pietsoresistiivinen mittasiltakytkentä selvitetään.
3. Mikrofluidistiikka ja sen erityispiirteet, mikrosuuttimet, mikroventtiilit, mikropumput, kuplageneraattorit, mikroskaalan virtaukset, EDL- kerrokset ainepintojen lähellä, kemialliset anturit, DMD- mikropeilit, . . .
4. Mikrosysteemiteknologian valmistustekniikat ja paketointi: Pintaliitosmikrosysteemit, 3D bulk mikrosysteemit, ohutkalvosovellukset, litografiamenetelmät, plasma syövytys, DRIE- syövytys, lanka- ja nystybondaus, mikroanturien liittäminen mikrosysteemeihin, NanoLCP materiaali, CVD, LPE, VPE, MBE, puhdastila ja ESD, hermeettinen paketointi, kaasutäyttö, . . .

Arviointikriteerit, tyydyttävä (1)

1. Osaa ja suorittaa yksinkertaisen anturimallinnuksen APLAC- ja Simulink- sovellustyökaluilla. Osaa ja ymmärtää mikrosysteemitekniikan perusmateriaalien erityisominaisuudet ja niiden merkityksen. Osaa ja ymmärtää kapasitiivisen kiihtyvyysanturin perustoiminnan.
2. Osaa ja ymmärtää resistiivisen ja pietsoresistiivisen anturi-ilmiön lämpötilan ja/tai mekaanisen jännityksen vaikuttaessa anturien tuntoelimeen. Osaa tärkeimmät anturi-ilmiöt ja niiden perustoiminnot.
3. Osaa määritellä mikrofluidistisen virtauskanavan suuruusluokan. Osaa määritellä mikrofluidistiikan perussovellusten kuten mikropumpun ja mikrosuuttimien perustoiminnan.
4. Osaa määritellä mikrosysteemivalmistustekniikoiden perusmenetelmät ja erityisvaatimukset.

Arviointikriteerit, hyvä (3)

1. Osaa mikrosysteemitekniikan sovellusten mallinnuksen ja simuloinnin mikrosysteemin parametreja muuntamalla esimerkkitapauksissa APLAC- ja Simulink- työkaluilla. Ymmärtää eri mikrorakenteiden kuten dielektristen eristekerrosten ja metallirakenteiden merkityksen. Hallitsee ja ymmärtää mekaanis-sähköisen vuoro-vaikutuksen syntymekanismin kiihtyvyys-antureissa ja paineantureissa.
2. Osaa mikrosysteemitekniikan anturi-ilmiöt ja niiden merkitykset. Ymmärtää kaasuvaimennuksen merkityksen vaimentimena. Osaa differentiaalisen kapasitiivisen kytkennän ja ymmärtää sen merkityksen.
3. Osaa DMD- mikropeilien erityispiirteet toimivana moni elementtisenä dynaamisena mikropeilimatriisina. Osaa ja tietää DMD- tekniikan ongelmat, joita varten on varauduttava.
4. Osaa määrittää valmistustekniikoiden nykyiset suuntaviivat ja muutokset nyt ja lähitulevaisuudessa. Osaa määritellä DRIE- syövytystekniikan ja verrata sitä kemialliseen poistuvaan syövytystekniikkaan. Osaa periaatteet eri päällystys- ja pinnoitustekniikoissa (CVD, sputterointi, LPE, VPE ja tyhjiöhöyrystys. Osaa puhdastilatyöskentelyn ja ESD- suojausksen perusteet.

Arviointikriteerit, kiitettävä (5)

1. Osaa mikrosysteemitekniikan sovellusten mallinnuksen ja simuloinnin mikrosysteemin omilla tai annetuilla lähtöparametreilla APLAC- ja Simulink- työkaluilla. Osaa mallintaa taajuusvasteen ja testata mikrosysteemimallia muilla muutostekijöillä.
2. Osaa huomioida lämpösähköilmiön ja resistiivisyyden muutoksen vaikutusta mikrorakenteissa lämpötilaerojen vaikutuksesta. Osaa ja ymmärtää pietsoresistiivisen mittasiltakytkennän soveltamisen periaatteet paineanturin toiminnassa.
3. Osaa ja ymmärtää kemiallisten mikroanturien toimintaperiaatteet. Osaa ja ymmärtää optisten mittaustekniikoiden hyödyntämisen mikrosysteemeissä mikrofluidistiikan sovelluksen yhtenä osana. Osaa ja ymmärtää sen miten staattisen sähköisen varauksen sekä kipinöinnin ongelmia voidaan välttää hyvin pienillä etäisyyksillä.
4. Osaa ja ymmärtää nystybondausmenetelmien merkityksen nyt ja tulevaisuuden mikrosysteemeissä. Osaa ja ymmärtää paketointitekniikoiden merkityksen, koska ne ovat kallein osa mikrosysteemiä ja niitä tarvitaan eri ympäristötekijöiden johdosta.