САПР Наносистем. Книга 17

Введение 
1 

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

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

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

САПР 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 

Введение 
3 

Л. А. Зинченко 
 
 
 
 
 
 
САПР 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» 
 

 

САПР наносистем 

УДК 004.3'1 
ББК 30.61 
 
З63 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного  контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2 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) 
 

З63 

Зинченко Л. А.

САПР наносистем : учеб. пособие / Л. А. Зинченко. – М. : Изд-во 

МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. – 224 с. : ил. (Библиотека «Наноин-
женерия» : в 17 кн. Кн. 17).

 
ISBN 978-5-7038-3508-1 (кн. 17) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
Методические материалы по дисциплине «САПР наносистем» содержат 
ее нормативную базу, 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, необходимые для работы профессорско-
преподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Наноинженерия». Будут 
полезны всем, занимающимся вопросами нанотехнологий, наноинжене-
рии, проектированием МЭМС и НЭМС, созданием электронных систем 
различного назначения. 
 
 
УДК 004.3'1 
ББК 30.61 
 
 
 
 Зинченко Л. А., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3508-1 (кн. 17) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Введение 
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 учебно-
методического 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 наномате-
риалов, 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 

САПР наносистем 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного обучения на базе адаптированного учебно-методического 
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 Web-
версии, 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 

Введение 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АЧХ
–
амплитудно-частотная характеристика

ВТ
–
вычислительная техника

ДЗ
–
домашнее задание

КПД
–
коэффициент полезного действия

МГЭ
–
метод граничных элементов

МКР
–
метод конечных разностей

МКЭ
–
метод конечных элементов

МЭМС
–
микроэлектромеханические системы

ННС
–
национальная нанотехнологическая сеть

НЭМС
–
наноэлектромеханические системы

ПО
–
программное обеспечение

РК
–
рубежный контроль

САПР
–
система автоматизированного проектирования

СБИС
–
сверхбольшая интегральная микросхема

ТП
–
технологический процесс

ТСО
–
технические средства обучения

ФЧХ
–
фазо-частотная характеристика

ЦАП
–
цифро-аналоговый преобразователь

ЭВМ
–
электронно-вычислительная машина

ЭА
–
электронная аппаратура

AMG
–
Algebraic Multigrid iterative equation solver – алгебраический 
многосеточный итеративный алгоритм решения 
уравнений

APDL
–
ANSYS Parametric Design Languag – язык параметрического 
проектирования в программном комплексе 
ANSYS

ASIC
–
Application-Specific Integrated Circuit – заказная ин-
тегральная микросхема

BEM
–
Boundary Element Method – метод граничных эле-
ментов

CAD
–
Computer-Aided Design – система автоматизиро-
ванного проектирования

САПР наносистем 

CAE
–
Computer-Aided Engineering – автоматизированная 
инженерия

CIF
–
Caltech Intermidiate Form – международный стан-
дартный текстовый формат для записи и хранения 
топологической информации

DXF
–
Drawing eXchange Format – международный стан-
дартный текстовый формат для записи и хранения 
графической информации

EDA
–
Electronic Design Automation – автоматизированное 
проектирование электронных средств

FEM
–
Finite Element Method – метод конечных элементов

GDSII
–
Graphic Design System II – международный стан-
дартный бинарный формат для записи и хранения 
топологической информации

PCG
–
Preconditioned Conjugate Gradient – алгоритм сопря-
женных градиентов с начальными условиями

VLSI
–
Very Large-Scale Integration – интеграция сверхвы-
сокого уровня

Введение 
9 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «САПР наносистем» охватывает основные вопро-
сы автоматизации проектирования современных микроэлектроме-
ханических систем (МЭМС) и наноэлектромеханических систем 
(НЭМС). 
Методы проектирования систем, базирующихся на использова-
нии электрических и механических компонентов, изготовленных 
по технологиям, совместимым с технологией производства инте-
гральных схем, существенно отличаются от ранее применявшихся 
методов проектирования электромеханических систем. В основе 
рассматриваемых в данном методическом пособии маршрутов 
проектирования МЭМС и НЭМС лежит междисциплинарный под-
ход, позволяющий учесть разнообразные физические взаимодей-
ствия между разными областями системы: электрической, механи-
ческой, тепловой и др. В связи со сложностью междисциплинар-
ного моделирования проектирование МЭМС и НЭМС невозможно 
без использования мощных вычислительных комплексов и слож-
нейших систем автоматизации проектирования (САПР). Усложне-
ние разрабатываемых устройств приводит к тому, что подготовка 
бакалавров и магистров по наноинженерии должна включать та-
кую важную составляющую формирования базового набора ком-
петенций специалиста, предусмотренных программами подготов-
ки и переподготовки специалистов для нужд наноинженерии, как 
широкая теоретическая база и наличие практических навыков ис-
пользования современных средств автоматизированного проектирования 
МЭМС и НЭМС. 
Методологически дисциплина строится на основе оптимального 
соотношения теоретических и прикладных вопросов с обязательным 
участием студентов в самостоятельном исследовании оригинальных 
частных задач проектирования МЭМС и НЭМС. 
Важной проблемой в наноинженерии является выбор моделей, 
адекватно отражающих поведение микро- и наноразмерных элементов 
на различных уровнях проектирования наносистем. При 

САПР наносистем 

выборе проектного решения необходимо также учитывать влияние 
технологического процесса и различных дестабилизирующих факторов. 
В связи с этим для реализации сложных маршрутов проектирования 
МЭМС и НЭМС применяются интегрированные САПР, 
позволяющие выполнить моделирование и оценку различных проектных 
решений на различных уровнях проектирования. 
При подготовке конспекта лекций была использована литература, 
перечисленная в списке использованных источников [1–23], 
проанализированы разнообразные источники в сети Интернет. Полученная 
информация была систематизирована и обобщена для 
решения указанного выше комплекса задач. Все копирайты, торговые 
марки и логотипы, приведенные в методических указаниях, 
принадлежат их собственникам. 
Дисциплина «САПР» разработана на уровне мировых стандартов 
с учетом аналогичных курсов, читаемых в университетах США 
и Европы. При разработке курсов использованы материалы, 
предоставленные НИИСИ РАН, ИРЭ РАН, РНЦ «Курчатовский 
институт», ФТИАН РАН и другими предприятиями ННС.