В.В. Лучинин, д-р техн. наук,
Ю.М. Таиров,
д-р техн. наук, проф.,
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет
К ВОПРОСУ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ "МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА"
| Отражены приоритеты отечественной высшей школы в подготовке специалистов по ряду дисциплин, определяющих научно-технический прогресс. Предложено определение области профессиональной деятельности дипломированного специалиста по микросистемной технике, дан перечень специальностей, реализуемых в рамках данного направления подготовки специалистов, а также перечень и содержание специальных дисциплин, необходимых для подготовки в области МСТ. |
Страны, определяющие научно-технический прогресс, при установлении своих государственных приоритетов используют термин "критические технологии". За скупым перечнем критических технологий скрыт уровень интеллектуального потенциала нации и способность государства обеспечить его развитие. Известно, что наиболее значимые научно-технические прорывы происходят на стыке наук. Так было в начале шестидесятых годов, когда объединение потенциалов физики, химии и информатики определило развитие микроэлектроники – базиса современных высокоинтеллектуальных систем.
Конец XX века подарил нам фактически вторую, вслед за созданием интегральных схем, революцию на микроуровне, и цеховая легенда – "Сказ о тульском Левше и стальной блохе" стали явью на рубеже XXI века [1]. Как уже отмечалось в работах [2-4], в основе междисциплинарного научно-технического прорыва, формируемого промышленно развитыми странами, лежит системная интеграция классических принципов электроники, физики твердого тела, механики, оптики, электротехники, химии и биологии, реализуемая в технических решениях на микроуровне с широким использованием материаловедческой и технологической баз электроники и микроэлектроники. Данное направление получило название "микросистемная техника". Позволим повторить определение микросистемной техники, впервые представленное одним из авторов данной статьи в работе [2]. Микросистемная техника (МСТ) – это научно-техническое направление, целью которого является создание в ограниченном объеме твердого тела или на его поверхности микросистем, представляющих собой упорядоченные композиции областей с заданным составом, структурой и геометрией, статическая или динамическая совокупность которых обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, трансляции и хранения информации при выполнении запрограммированных операций и действий в требуемых условиях эксплуатации с заданными функциональными, энергетическими, временными и надежностными показателями.
В мировой практике для обозначения этого направления наиболее часто используются следующие понятия и термины: США – MEMS и MOEMS (микроэлектромеханические и микрооптоэлектромеханические системы); Япония – MICROMACHINES (микромашины); европейские страны – MST – microsystem technology (дословно технология микросистем). В России с 1996 года в "Перечне критических технологий Федерального уровня" официально используется термин "микросистемная техника" (microsystems engineering).
Мировой рынок микросистемной техники является наиболее динамичным и ежегодный прирост продукции составляет 20%, что по данным организации при Европейской комиссии по проблемам развития микросистемной техники в Европе "NEXUS" обеспечит к 2002 году ежегодный объем реализации изделий микросистемной техники до 38 млрд долл. США [5].
Одним из важнейших элементов обеспечения развития нового научно-технического направления, наряду с материально-технической базой, является кадровый потенциал, который формируется в рамках научных и научно-педагогических школ. Так, еще до открытия транзистора в Ленинградском электротехническом институте (ныне Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет) в 1946 году при поддержке академика А.Ф. Иоффе по инициативе известного отечественного ученого, трижды лауреата государственных премий Н.П. Богородицкого была создана кафедра диэлектриков и полупроводников (с 1995 года кафедра микроэлектроники), которая в 1952 году выпустила первых инженеров по специальности 0604 "Полупроводники и диэлектрики" [6]. С 1961 года кафедра стала выпускающей по специальности 0629 "Полупроводниковые приборы".
Особое внимание в то время (исходя из потребностей страны) уделялось курсам "Электротехнические материалы" и "Материалы радиоэлектронной техники". Известно, что одним из решающих этапов, определивших развитие микросистемной техники, являлось создание планарного электростатического двигателя, разработанного в США в конце 80-х годов М. Мехрегани. Фотографии этого двигателя на фоне острия иглы, обошли практически все издания мира [7]. Однако прообраз данного электростатического двигателя был создан на кафедре диэлектриков и полупроводников ЛЭТИ еще в конце 50-х годов в виде так называемого диэлектрического двигателя, не имеющего магнитных элементов [8]. Впервые практически было использовано явление вращения диэлектрика в электрическом поле, которое наблюдал в 1896 году немецкий исследователь Г. Квинке. Эта высокотехнологичная отечественная разработка была удостоена золотой медали в 1958 году на Международной выставке в Брюсселе, где она выставлялась наряду с такими отечественными экспонатами, как модель первого атомного ледокола или станок с числовым программным управлением.
Анализируя современное состояние в области микросистемной техники, можно наблюдать своеобразный материаловедческий электротехнический ренессанс, но уже на микроуровне. Базисом функционирования элементной базы микросистемной техники являются так называемые функционально-активные и адаптивные "умные" материалы, использующие пьезоэлектрические и магнитные эффекты, электростатические явления, эффекты памяти формы.
В основе технологии элементной базы микросистемной техники лежат интегрально-групповые экономически эффективные принципы производства, широко используемые при создании изделий электронной техники. Для эффективного применения элементной базы микросистемной техники необходима ее конструкторская и технологическая интеграция с элементной базой микроэлектроники, основой информационного и энергетического обеспечения систем.
Все
это позволило нам определить возможную область профессиональной деятельности будущего
дипломированного специалиста в области микросистемной техники следующим образом:
исследование,
разработка, создание и применение сверхминиатюрных приборов, механизмов и микромашин
на основе системной интеграции электроники, электротехники, механики, оптики,
теплотехники, химии и биологии, реализуемых в конструкторско-технологических решениях
на микроуровне с широким использованием интегрально-групповых экономически эффективных
принципов производства.
Учитывая, что микросистемная техника относится к "критическим" направлениям науки и техники, определяющим конкурентоспособность наиболее наукоемких отраслей промышленности, и базируется, в первую очередь, на материаловедческо-технологическом базисе микроэлектроники, представляется возможным дополнить примерный перечень направлений подготовки дипломированных специалистов в рамках Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 41 "Электроника и микроэлектроника" специальностью "Микросистемная техника". Перечень специальностей, реализуемых в рамках данного направления подготовки специалистов, может быть расширен следующим образом:
180600 – светотехника и источники света;
071400 – физическая электроника;
200100 – микроэлектроника и твердотельная электроника;
200300 – электронные приборы и устройства;
200400 – промышленная электроника;
200500 – электронное машиностроение;
… – микросистемная техника.
Область профессиональной деятельности инженера по направлению "Электроника и микроэлектроника" включает в себя совокупность средств, способов и методов человеческой деятельности, направленной на исследование, разработку и производство материалов и изделий электроники и микросистемной техники, совершенствование технологий их получения, а также проектирование и применение приборов и устройств. Объектами профессиональной деятельности выпускника в зависимости от содержания основной образовательной программы подготовки (специальности) являются материалы, компоненты, приборы и устройства электроники и микросистемной техники, технологические процессы их изготовления, методы исследования, проектирования и конструирования, диагностическое и технологическое оборудование, математические модели процессов и объектов электроники и микросистемной техники, алгоритмы решения типовых задач, относящихся к профессиональной сфере.
В рамках разработки требований к обязательному минимуму содержания основных образовательных программ при подготовке дипломированного специалиста по направлению "Электроника и микроэлектроника" для специальности "Микросистемная техника" может быть предложен перечень специальных дисциплин, представленный ниже.
СД. 01. Материалы микросистемной техники (100 ч):
· классификация материалов микросистемной техники: конструкционные, функционально активные и адаптивные;
· критерии выбора и совместимости материалов: кристаллохимическая и термохимическая совместимость, механическая, тепловая и электрическая стойкость, механическая и термомеханическая усталость, электрическая деградация;
· конструкционные материалы: материалы для механических конструкций, электрических и оптических связей; функционально активные материалы для электростатических, электромагнитных, пьезоэлектрических и термоэлектрических преобразователей информации энергии и движения;
· адаптивные материалы: активные диэлектрики, сплавы с памятью формы, биоорганические материалы, самоорганизующиеся среды.
СД. 02. Микроэлектромеханика (100 ч):
· механические свойства твердых тел;
· поле деформации и напряжений;
· эффекты масштабирования в микромеханике;
· виды нагрузок: статические, колебания, линейные ускорения, полигармонические и случайные воздействия, удар, температурные воздействия;
· структура и виды механизмов и деталей машин: мембраны, балки, пружины, зубчатые и фрикционные передачи, муфты;
· законы классической электромеханики, электромеханические преобразователи, эффекты масштабирования в микроэлектромеханике;
· электромагнитные и электростатические объемные и планарные микродвигатели;
· пьезоэлектрические преобразователи;
· микропьезодвигатели;
· микропневмопреобразователи.
· основные положения геометрической, волновой, квантовой, нелинейной и молекулярной оптики;
· размерные эффекты; планарная и объемная элементная база микрооптики: твердотельные источники и приемники излучения, интерференционные покрытия, управляемые зеркала и дифракционные решетки, линзы Френеля, Фурье-преобразующие линзы, оптические резонаторы, электро-, акусто-, магнитооптические модуляторы, планарные и объемные волноводы, оптические кабели и разъемы;
· оптика движущихся тел: эффекты Доплера, Физо, Саньяка;
· микрооптомеханические и интегрально-оптические схемы.
СД.04. Микросхемотехника (150 ч):
· классификация и стандартизация интегральных микросхем;
· элементная база интегральных микросхем: физическая структура, топология, законы масштабирования;
· схемотехника цифровых интегральных микросхем: базовые логические элементы, схемотехническая реализация основных логических функций, типовые и функциональные узлы на основе логических элементов, цифровые интегральные схемы на основе динамических логических элементов, постоянные и оперативные запоминающие устройства;
· схемотехника аналоговых интегральных схем: операционные усилители, схемотехническая реализация математических операций, компараторы, аналоговые переключатели, активные фильтры;
· цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи;
· микропроцессоры;
· схемотехническая реализация ИМС на основе базовых матричных кристаллов и программируемых логических матриц;
· логическое схемотехническое и топологическое проектирование ИМС;
· системы автоматизированного проектирования;
· перспективные направления традиционной и нетрадиционной микросхемотехники;
· элементная база для сверхскоростной обработки информации: логические элементы на основе соединений группы А3В5 и сверхпроводников, приборы на поверхностных акустических и магнитостатических волнах;
· вычислительные среды с нейроподобной архитектурой;
· ассоциативные принципы обработки информации, самоорганизация.
СД. 05. Компоненты микросистемной техники (175ч):
· классификация объектов микросистемной техники: сенсоры, управляемые электрорадио- и оптоэлектромеханические компоненты, микроустройства для хранения информации, микромашины, аналитико-технические микросистемы, микро- и наноинструмент, миниатюрные транспортные средства, минироботы;
· сенсоры: для контроля основных физических и химических параметров сред, сенсоры ориентации, навигации и управления;
· биосенсоры для медико-биологических целей;
· миниатюрные управляемые электрорадиомеханические и оптоэлектромеханические компоненты: конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы, реле, резонаторы, зеркала, линзы, модуляторы, затворы, фильтры, фото переключатели, микродиски, оптомеханические и интегрально-оптические схемы;
· микромашины: микродвигатели, микрогенераторы, микротурбины, приводы движения, системы микроперемещения;
· микроманипуляторы;
· аналитические микросистемы, матричные и микрофлюидные чипы, микрохроматографы, миниатюрные масс-спектрометры;
· технические микросистемы: микрореакторы, микроклапаны, микродозаторы, кластерные технологические микросистемы, микро- и наноинструмент, миниатюрные транспортные средства и мини-роботы.
СД.06. Проектирование микросистем (150 ч):
· математические модели элементной базы микросистемной техники;
· теория подобия и эффекты масштабирования;
· механические модели в электромеханике: механическое равновесие, уравнение баланса динамических величин, уравнение движения, термомеханические, статические и динамические модели мембран, балок, струн;
· физико-топологические модели базовых элементов поверхностной и объемной микромеханики;
· модели микросистем с электрическими и магнитными полями: полевые уравнения, краевые задачи, общие уравнения для электромагнитного и пьезоэлектрического преобразователя;
· модели течения жидкости и газа в микрообъемах и микрокапиллярах;
· имитационное динамическое моделирование микросистем;
· программные средства обеспечения САПР компонентов микросистемной техники;
· интеграция элементной базы микроэлектромеханики, микрооптики и микроэлектроники при проектировании микросистем.
СД. 07. Технология микросистем (175 ч):
· организационно-технологические основы производства элементной базы микроэлектроники, микроэлектромеханики, микрооптики;
· базовые технологические операции нанесения, удаления и модифицирования материалов, литографические процессы;
· специальные технологические операции поверхностной микромеханики: "жертвенные" слои, избирательное травление;
· специальные технологические операции объемной микромеханики: ориентационно-чувствительное жидкостное и высокопроизводительное сухое ионно-плазменное травление, стоп-слои;
· LIGA-технология: синхротронное излучение, гальванопластика, микропрессование;
· корпускулярно-лучевое формообразование: микростереолитография, лазерное осаждение и полимеризация;
· процессы сборки микросистем;
· производственная гигиена: чистота материалов и помещений;
· ЕСТД и ее применение;
· системный подход к управлению качеством продукции.
СД. 08. Испытания микросистем (100 ч):
· номенклатура показателей качества материалов и компонентов микросистемной техники;
· выбор модели для определения качества продукции;
· классификация методов испытаний: испытания на воздействие температуры, влажности, механические и радиационные испытания;
· ускоренные испытания;
· базовое контрольно-измерительное и испытательное оборудование;
· методики проведения испытаний и обработки результатов;
· стандартизация и сертификация компонентов микросистемной техники;
· гармонизация национальных стандартов испытаний и качества продукции с международными.
ДС. Дисциплины специализаций (760 ч).
Суммарный объем учебных часов по специальным дисциплинам соответствует проекту разработанного стандарта подготовки дипломированных специалистов по направлению "Электроника и микроэлектроника".
В качестве возможных специализаций при подготовке инженеров по специальности "Микросистемная техника" могут быть "Микротехника" и "Нанотехника".
В рамках единых европейских образовательных программ в настоящее время также принято решение об унификации образовательного процесса в области микросистемной техники с ориентацией на подготовку магистров: "Master of Science in Microsystems Engineering".
Представляется, что микросистемная техника для научно-технического процесса может иметь такое же значение, какое оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.
Имеющиеся в России научно-технический и кадровый потенциалы позволяют приступить в 2000 году к подготовке дипломированных специалистов по специальности "Микросистемная техника" в рамках направления "Электроника и микроэлектроника". Организация образовательного процесса по данной специальности будет также способствовать структурной перестройке экономики России с учетом мирового опыта и приоритетов ее социально-экономического развития.
Список литературы
1. Лучинин В.В. Быль о механической блохе // Газета "Поиск", 1997, №19-20. С,6.
2. Лучинин В.В. Микросистемная техника. Направления и тенденции развития // Научное приборостроение РАН. 1999. Т. 9, № 1. С. 3-18.
3. Климов Д.М., Васильев А.А., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке // Микросистемная техника. 1999 № 1. С. 3-6.
4. Лучинин В.В., Таиров Ю.М., Васильев А.А. Особенности материаловедческого и технологического базиса микросистем // Микросистемная техника, 1999. № 1. С. 7-11.
5. NEXUS. Market analysis for microsystems, 1996-200 2//MST News, 1998, №3. P. 38-41.
6. Пасынков В.В., Таиров Ю.М. Кафедре микроэлектроники 50 лет // Петербургский журнал электроники. Вып. 3, 1996. С. 3-9.
7. Стикс Г. Микронные механизмы // В мире науки, 1993. № 1 С. 68.
8. Карпов Ю.С., Красноперое В.А., Окунев Ю.Т., Пасынков В.В. О движении диэлектриков в электрическом поле // Физика диэлектриков // Тр. 2-й Всесоюзной конф., ноябрь, 1958, М.: Изд-во РАН. I960. С. 124-131.