Компонентна база біомедичної апаратури
Спеціальність: Біомедична інженерія (інтернет речей)
Код дисципліни: 6.163.03.O.015
Кількість кредитів: 4.00
Кафедра: Електронні засоби інформаційно-комп'ютерних технологій
Лектор: Голяка Роман Любомирович
Семестр: 3 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК 2. Знання та розуміння предметної області та розуміння професійної діяльності.
ЗК 4. Навички використання інформаційних і комунікаційних технологій.
ЗК 6. Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел.
ЗК 8. Здатність приймати обґрунтовані рішення.
ЗК 9. Здатність спілкуватися з представниками інших професійних груп різного рівня (з експертами з інших галузей знань/видів економічної діяльності).
фахові компетентності:
ФК 4. Здатність забезпечувати технічні та функціональні характеристики систем і засобів, що використовуються в медицині та біології (при профілактиці, діагностиці, лікуванні та реабілітації).
ФК 7. Здатність планувати, проектувати, розробляти, встановлювати, експлуатувати, підтримувати, технічно обслуговувати, контролювати і координувати ремонт приладів, обладнання та системи для профілактики, діагностики, лікування і реабілітації, а також пристрої інтернету речей, що використовується в лікарнях і науково-дослідних інститутах.
ФКС 1.4. Здатність експлуатувати діагностичні та терапевтичні системи та виконувати обробку діагностичної інформації.
ФКС 2.1. Здатність вибирати та обґрунтовувати застосування радіо-електронних компонентів при сервісному обслуговуванні медичної техніки, перевіряти експериментально працездатність виробів та визначати їх характеристики.
Результати навчання: В результаті вивчення дисципліни студент повинен продемонструвати такі результати навчання:
- знати вимоги до електричних та механічних параметрів компонентів біомедичної апаратури, розуміти біологічну та електричну сумісність;
- розуміти основні фізичні принципи функціонування активних та пасивних електронних компонентів біомедичної апаратури;
- демонструвати знання та вміння розробляти та моделювати компоненти біомедичної апаратури, синтезувати та використовувати SPICE моделі;
- знати типи та принципи функціонування інтегральних схем;
- знати типи та принципи функціонування сенсорів та актюаторів;
- демонструвати знання та вміння використання електронних компонентів в біомедичній апаратурі;
- демонструвати знання сучасних тенденцій розвитку компонентів біомедичної апаратури
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: Схемотехніка біомедичної апаратури
Короткий зміст навчальної програми: Програма навчальної дисципліни «Компонентна база біомедичної апаратури» укладена для студентів інституту телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки, які навчаються за спеціальністю «Біомедична інженерія». В результаті успішного навчання за програмою курсу студент засвоїть теоретичні основи функціонування компонентної бази біомедичної апаратури та Інтернету Речей та практичні навички по їх проектуванню, модельному та експериментальному дослідженню.
Курс має практичне спрямування, надаючи студентам можливості набуття досвіду в електроніці біомедичної інженерії та Інтернету Речей. Самоосвіта вважається невід’ємною частиною даного навчального курсу, і особлива увага у програмі приділяється самостійній роботі студентів. В курсі розглядаються: вимоги до компонентів біомедичної апаратури, мікроелектронної сенсорики та Інтернету Речей; фізичні основи функціонування елементів твердотільної електроніки; напівпровідникові діоди; біполярні транзистори; елементи на тиристорних структурах; польові МДН транзистори; елементна база на МДН структурах; польові транзистори з керуючим p-n переходом; біполярно-польові транзистори BJFET; елементна база квантової електроніки; моделювання компонентів біомедичної апаратури, мікроелектронної сенсорики та Інтернету Речей. Зміст курсу спрямований на формування у студентів розуміння загальної тенденції розвитку компонентної бази біомедичної апаратури та Інтернету Речей, здатності студентів ефективно використовувати набуті знання під час практичних занять в аудиторіях та при виконанні лабораторних та самостійних завдань, вміння знаходити необхідну інформацію в спеціалізованій літературі та Інтернеті.
Вивчення навчальної дисципліни передбачає використання програмного забезпечення для схемо технічного моделювання MicroCap11 (evaluation student version) та інтегрованих програмних середовищ розроблення (Integrated Development Environment, IDE) PSoC Creator, Arduino IDE. Всі вказані програмні продукти не вимагають ліцензійної оплати є у вільному доступі для студентів.
Опис: Тема 1. Пасивні компоненти
Класифікація компонентів. Електричні проводи та кабелі.
Класифікація компонентів. Електричні проводи та кабелі. Коаксіальні кабелі. Електролюмінесцентні проводи.
Резистивні компоненти
Загальна характеристика та класифікація. Позначення та маркування. Резистори змінного опору. Функціональні компоненти на резистивних структурах. Електронні компоненти для поверхневого монтажу.
Реактивні компоненти.
Конденсатори. Загальна класифікація та позначення конденсаторів. Основні параметрі конденсаторів. Індуктивні компоненти. Високочастотні котушки індуктивності. Основні параметри індуктивних компонентів. Трансформатори. Основні електричні параметри трансформаторів. Мемристори. Компоненти функціональної електроніки.
Комутаційні та функціональні компоненти
Комутаційні пристрої. Компоненти функціональної електроніки. П'єзоелектричний ефект. Елементи Пельтьє. Термопари. Термоелектрогенератори.
Тема 2. Активні компоненти.
Компоненти на діодних структурах
Визначення та класифікація. Діоди на основі р-n-переходів. Технологія виготовлення планарного діода. Діоди з бар’єром Шотткі. Експлуатаційні характеристики діодів. SPICE моделювання характеристик діодів. Стабілітрони. Варікапи. Тунельні діоди.
Компоненти та структурах біполярних транзисторів
Загальні відомості. Класифікація. Умовні позначення. Фізичні основи функціонування. Режим роботи з спільною базою. Режим роботи з спільним емітером. Режим роботи з спільним колектором. Модель Еберса-Молла. Складені транзистори. Інтегральні структури біполярних транзисторів. Біполярні транзистори з гетеропереходами. Біполярні транзистори сенсорної електроніки.
Компоненти на структурах польових МДН транзисторів
Визначення та класифікація. Структура елементарного МДН транзистора. Основи функціонування МДН транзистора. Конструктивно-технологічний базис самосуміщеного затвору. Конструктивно-технологічний базис з подвійною дифузією. Конструктивно-технологічний базис на основі V-подібних структур. МДН структури надвисокочастотних інтегральних схем.
Спеціалізовані компоненти та МДН структурах
Потужні МДН транзистори. Потужні біполярні транзистори з ізольованим затвором. Тонкоплівкові МДН структури. Іонно-селективні польові транзистори.
Польові транзистори з керуючим p-n переходом (ПТКП)
Базова конструкція та принцип функціонування. Статичний індукційний транзистор. Польові транзистори з затвором Шотткі.
Компоненти на тиристорних структурах
Визначення, класифікація, структури. Вольт-амперна характеристика діодного тиристора. Феноменологічний опис ВАХ динистора. Режими роботи. Симетричні тріністори. Схеми керування тиристорами.
Тема 3. Компоненти мікро- та наноелектроніки
Компоненти інтегральної електроніки
Поняття та характеристики інтегральних схем. Рівні проектування IC. Елементна база інтегральних схем. Конструктивно-технологічний базис КМДН структур. Корпуси мікросхем. Концепція систем на кристалі. Програмовані СнК компанії Cypress.
Компоненти на МЕМС структурах
Поняття МЕМС. Базові МЕМС технології. МЕМС сенсори. MEMS-Мікроактюатори. Електромеханічна пам'ять. МЕМС в телекомунікаціях. MEMS-дисплеї. MEMS-джерела живлення.
Елементна база на ПЗЗ та флеш структурах
Прилади з зарядовим зв’язком (ПЗЗ). Структура ПЗЗ- матриці. Параметри та застосування ПЗЗ. Флеш пам'ять на МДН транзисторах. Схемно-структурна реалізація флеш пам'яті.
Компоненти на світловипромінюючих структурах
Світловипромінювальні структури твердотільної електроніки. Світлодіоди. Напівпровідникові лазери. Рідкокристалічні дисплеї. Активні матриці на органічних світлодіодах AMOLED.
Компоненти на фоточутливих структурах
Фотодіоди. Фототранзистори. Використання фотоелектричних елементів. Компоненти фотовольтаїки.
Методи та критерії оцінювання: Поточний контроль: письмові звіти з лабораторних робіт, усне опитування, контрольні роботи – 40 балів (40%). Підсумковий контроль: контрольний захід - залік - письмово-усна форма – 60 балів (60%).
Критерії оцінювання результатів навчання: 1) Захист лабораторних робіт включає демонстрацію результатів за індивідуальним варіантом, оформлення письмових звітів до лабораторних робіт.
2) Усне опитування відбувається на лабораторних заняттях та під час контрольної роботи. Опитування здійснюється за питаннями зі сформованих списків до кожної лабораторної роботи та контрольної роботи.
3) Тестування відбувається у ВНС під час контрольного заходу (поточного опитування) та під час контрольної роботи.
4) Контрольна робота складається з письмової компоненти (тест) та усної компоненти (індивідуальне опитування).
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Основи біомедичного радіоелектронного апаратобудування: навчальний посібник. Злепко С.М., Павлов С.В., Коваль Л.Г. та ін. – Вінниця: ВНТУ. – 2011.
2. Електроніка і мікросхемотехніка : у 4 т. Т.1. Елементна база електронних пристроїв / За ред. Віталій Іванович Сенько В.І. – Київ : Обереги, 2000.
3. Електроніка і мікросхемотехніка: підруч. / За ред. А.Г. Соскова. Київ : Каравела. 2009.
4. Пахарьков Г. Биомедицинская инженерия. Проблемы и перспективы. Издательство: Политехника, 2011г.
5. Alessandro Bassi, Martin Bauer, Martin Fiedler. Enabling Things to Talk: Designing IoT solutions with the IoT Architectural Reference Model. Springer Heidelberg. -2013.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).