Проектирование оптической элементной базы наносистем. Книга 7

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Проектирование оптической элементной базы наносистем 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Конспект лекций 
3 

А. А. Денисов, В. А. Кальнов, В. А. Шахнов 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ОПТИЧЕСКОЙ 
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 
 
 

 

Проектирование оптической элементной базы наносистем 

УДК 535 
ББК 22.34 
 
Д33 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2-й федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии 
в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

Д33 

Денисов А. А.

Проектирование оптической элементной базы наносистем : учеб. 

пособие / А. А. Денисов, В. А. Кальнов, В. А. Шахнов. – М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 144 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 7).

 
ISBN 978-5-7038-3498-5 (кн. 7) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
Методические материалы по дисциплине «Проектирование оптической 
элементной базы наносистем» содержат нормативную базу дисциплины, рекомендации по организации и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных работ и деловых игр, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, типовых плакатов и другие дидактические материалы для 
работы профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия». Будет полезен всем, занимающимся 
вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС 
и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения. 
 
УДК 535 
ББК 22.34 
 
 
 Денисов А. А., Кальнов В. А., 
 
 
Шахнов В. А., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3498-5 (кн. 7) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Конспект лекций 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинарный характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебнометодического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам высшего профессионального образования для тематических направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов Российской Федерации направлены на реализацию инновационной модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наноматериалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров путем распространения передового опыта в разработке 

Проектирование оптической элементной базы наносистем 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного 
обучения 
на 
базе 
адаптированного 
учебнометодического комплекса дисциплин по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии учебно-методических комплексов дисциплин на основе Webверсии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, 
заведующему кафедрой Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали улучшению содержания УМК. 
Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего профессионального образования на территории Российской Федерации. 
Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Конспект лекций 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

AFM 
– Atomic Force Microscope – атомно-силовой микроскоп 
CAD 
– Computer-Aided Design – система автоматизированного проектирования 
EDA 
– Electronic Design Automation – автоматизированное 
проектирование электронных средств 
FEA 
– Finite Element Analysis – анализ методом конечных 
элементов 
FSR 
– Free Spectral Range – область свободной дисперсии 
MEMS – Micro-Electro-Mechanical Systems – микроэлектромеханические системы 
MOEMS – Micro Opto-Electro-Mechanical Systems – микрооптоэлектромеханические системы 
SEM 
– Scanning Electron Microscope – сканирующий электронный микроскоп 
SPM 
– Scanning Probe Microscope – сканирующий зондовый 
микроскоп 
TEM 
– Transmission Electron Microscope – просвечивающий 
электронный микроскоп 
UV 
– Ultra Violet – диапазон ультрафиолетового излучения 
АСМ 
– атомно-силовой микроскоп 
ЖКД 
– жидкокристаллический дисплей 
ИФП 
– интерференционные фильтры Фабри–Перо 
КМОП – комплементарный металл–окисел–полупроводник 
МКЭ 
– метод конечных элементов 
МЭМС – микроэлектромеханические системы 
НЭМС – наноэлектромеханические системы 
ПЭМ 
– просвечивающий электронный микроскоп 
РК 
– рубежный контроль 
САПР 
– система автоматизированного проектирования 
СБИС 
– сверхбольшая интегральная микросхема 
СЗМ 
– сканирующий зондовый микроскоп 

Проектирование оптической элементной базы наносистем 

СЭМ 
– сканирующий электронный микроскоп 
ТП 
– технологический процесс 
ФС 
– фурье-спектрометр 
ЭВС 
– электронно-вычислительная система 
ЭС 
– электронное средство 

Конспект лекций 
9 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «Проектирование оптической элементной базы 
наносистем» охватывает основные вопросы, связанные с сенсорами на базе технологий МЭМС / НЭМС, их функциональным составом, принципом работы, областями применения и основными методами проектирования и моделирования. 
На сегодняшний день технология МЭМС является одной из 
наиболее перспективных технологий XXI века и способна произвести революцию как в промышленном, так и в потребительском 
секторах путем объединения кремниевой микроэлектроники 
и технологии микрообработки. Устройства, разрабатываемые на 
основе данной технологии, обладают не просто эволюционно 
лучшими качествами, но и рядом других, ранее недоступных. В 
настоящее время очень перспективны сенсорные системы на основе технологий МЭМС и НЭМС, способные работать при высоких 
температурах, в агрессивных средах и / или под воздействием 
сильной радиации. В качестве новой тенденции в области высокотемпературных применений широкое распространение получили 
микрооптоэлектромеханические системы (МОЭМС). Они позволяют снизить вес, повысить надежность и уменьшить стоимость 
изделий в ключевых сегментах рынка, таких как автомобилестроение, авионика, промысловая геофизика и ядерная энергетика. 
Учитывая общую тенденцию развития современных технологий оптических МЭМС / НЭМС и приборов на их основе, изучение 
дисциплины «Проектирование оптической элементной базы наносистем» является важным с точки зрения выработки теоретических 
и практических навыков работы с методами и средствами проектирования оптической элементной базы микро- и наносистем 
и приборов на их основе, систематизации методов их проектирования и моделирования. 
Содержание соответствующих тем разделов разработано таким 
образом, что теоретические основы физических принципов, лежащих в основе работы оптических элементов микро- и наносистем, 

Проектирование оптической элементной базы наносистем 

показаны в общем виде с приведением ссылок на дополнительные 
материалы в случае необходимости. Таким образом, с одной стороны, материал не перегружен сложными теоретическими обоснованиями тех или иных процессов и акцентирует внимание на 
функциональной составляющей микро- и наносистем, а с другой – 
наличие дополнительных материалов способствует формированию 
у студента фундаментальных системных знаний, развивает в нем 
творческие способности будущего специалиста. 
В основу методических материалов по дисциплине «Проектирование оптической элементной базы наносистем» положены курсы, читаемые авторами в МГТУ им. Н. Э. Баумана.