Проектирование наносенсоров. Книга 6

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

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

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Проектирование наносенсоров 

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 
НАНОСЕНСОРОВ 
 
 
 
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 наносенсоров 

УДК 53.08 
ББК 22.3 
 
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 наносенсоров : учеб. пособие / А. А. Денисов, 

В. А. Кальнов, В. А. Шахнов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2011. – 128 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 6).

 
ISBN 978-5-7038-3497-8 (кн. 6) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
 
Методические материалы по дисциплине «Проектирование наносенсоров» содержат нормативную базу дисциплины, рекомендации по организации и проведению лекций и лабораторных работ, перечень слайдов, 
типовых плакатов и другие дидактические материалы для работы профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов высших технических учебных заведений, обучающихся 
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 53.08 
ББК 22.3 
 
 
 
 Денисов А. А., Кальнов В. А., 
Шахнов В. А., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3497-8 (кн. 6) 
 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 наносенсоров 

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 

ASIC
–
Application-Specific Integrated Circuit – проблемноориентированная интегральная микросхема

APM
–
Acoustic Plate Mode – плоская анодная волна

CAD
–
Computer-Aided Design – система автоматизированного проектирования

CFD
–
Computation Fluid Dynamics – вычислительная динамика жидкостей

EDA
–
Electronic Design Automation – автоматизированное 
проектирование электронных средств

FEA
–
Finite Element Analysis – анализ методом конечных 
элементов

FPW
–
Flexural Plate Wave – изгибная анодная волна

FSI
–
Fluid-Structure Interaction – взаимодействие «жидкость–конструкция»

ISFET
–
Ion-Sensitive Field-Effect Transistor – ионочувствительный полевой транзистор

MOSFET
–
Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor –
полевой транзистор с МОП-структурой

SAW
–
Surface Acoustic Wave – поверхностная акустическая волна

SEM
–
Scanning Electron Microscope – сканирующий электронный микроскоп

SIMOX
–
SIlicon iMplanted Oxide – имплантированный окисел кремния

SMD
–
Surface-Mounted Device – компонент, монтируемый на поверхность

SoС
–
System-on-Chip – система на чипе

SOI
–
Silicon-On-Insulator – кремний на изоляторе

SOS
–
Silicon-On-Sapphire – кремний на сапфире

TSM
–
Thickness Shear-Mode – сдвиговая волна по толщине

VLSI
–
Very Large-Scale Integration – интеграция сверхвысокого уровня

Проектирование наносенсоров 

ГИС
–
гибридные интегральные схемы

ДЛУ
–
датчик линейных ускорений

ДУС
–
датчик угловой скорости

ИНС
–
инерциальные навигационные системы

КМОП
–
комплементарный металл–окисел–полупроводник

МКЭ
–
метод конечных элементов

МЭМС
–
микроэлектромеханические системы

НЭМС
–
наноэлектромеханические системы

САПР
–
система автоматизированного проектирования

СБИС
–
сверхбольшая интегральная микросхема

ЧЭ
–
чувствительный элемент

ЭВС
–
электронно-вычислительная система

ЭС
–
электронное средство

Конспект лекций 
9 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «Проектирование наносенсоров» 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 (микроэлектромеханических систем) является одной из наиболее перспективных технологий XXI в. 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 также и рядом других, ранее недоступных. В настоящее время существует 
огромный спектр сенсоров на базе технологий МЭМС/НЭМС, 
охватывающих практически все области науки и техники. Широкое применения находят датчики давления, акселерометры, акустические сенсоры, расходомеры, химические, биологические и 
медицинские сенсоры и др. 
Учитывая общую тенденцию развития современных технологий МЭМС/НЭМС и сенсоров на их основе, изучение дисциплины 
«Проектирование наносенсоров» является важным с точки зрения 
выработки теоретических и практических навыков работы с методами и средствами проектирования наносенсоров и приборов на их 
основе, систематизации методов проектирования и моделирования 
современных наносистем. 
Как показывает зарубежная практика, ни одна система не проектируется с чистого листа, а основывается на уже разработанной 
ранее. Существует широкий диапазон готовых модулей и библиотек на их основе, которые позволяют в значительной мере сократить время разработки нового устройства. Проектирование и моделирование всех рассматриваемых в рамках дисциплины «Проектирование наносенсоров» устройств основывается на одних и тех 

Проектирование наносенсоров 

же базовых принципах, изучив и освоив которые, становится возможным не только разработка устройств, удовлетворяющим современным требованиям, но и проектирование систем, основанных 
на ранее неизученных физических принципах. 
Содержание соответствующих тем разделов разработано таким 
образом, что теоретические основы физических явлений, протекающих в процессе работы сенсоров на базе МЭМС/НЭМС, 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, 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 наносенсоров» положены курсы, читаемые авторами  
в МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
Материалы учебно-методического комплекса соответствуют 
программам подготовки по специальности «Наноинженерия  
и микросистемная техника», реализуемым в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Разработаны с привлечением и в кооперации с НИИСИ РАН, 
ИРЭ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», ФТИАН РАН и другими. предприятиями ННС. Структура и состав учебно-методического обеспечения соответствуют требованиям федеральных законов от 10.07.1992 № 3266-1-ФЗ «Об образовании» (с изменениями  
и дополнениями) и от 22.08.1996 № 125-ФЗ ФЗ «О высшем и послевузовском профессиональном образовании» (с изменениями  
и дополнениями), Типового положения об образовательном учреждении высшего профессионального образования (высшем учебном заведении), утвержденного постановлением Правительства 
РФ от 14 февраля 2008 г. № 71.