Zagadnienia kierunkowe od 1 do 10

Question 1

1. Budowa obecnie stosowanego układu jednostek miar (układ SI). Klasyfikacja błędów pomiaru.

Answer 1

Układ SI to międzynarodowy system jednostek miar, oparty na 7 jednostkach podstawowych i 2 jednostkach uzupełniających. Pozostałe jednostki są jednostkami pochodnymi.

7 jednostek podstawowych:
* Metr (m) – jednostka długości
* Kilogram (kg) – jednostka masy
* Sekunda (s) – jednostka czasu
* Amper (A) – jednostka natężenia prądu
* Kelwin (K) – jednostka temperatury
* Mol (mol) – jednostka ilości materii
* Kandela (cd) – jednostka światłości

2 jednostki uzupełniające:
* Radian (rad) – jednostka kąta płaskiego
* Steradian (sr) – jednostka kąta bryłowego

Klasyfikacja błędów pomiaru – błąd pomiaru definiuje różnicę pomiędzy wynikiem pomiaru, a wartością prawdziwą.

Ze względu na charakter błędu wyróżniamy:

• Błąd systematyczny to błąd powtarzalny, który można całkowicie lub częściowo usunąć z wyników pomiarów. Powstaje on z powodu sposobu wykonywania pomiarów, takich samych warunków pomiarów, używania tej samej aparatury oraz prowadzenia pomiarów przez tę samą osobę.
• Błąd przypadkowy to błąd o charakterze losowym, którego wartości nie można przewidzieć. Możemy go ograniczyć, wykonując wielokrotne pomiary i stosując średnią jako wynik ostateczny. Powstaje on z powodu niedoskonałości zmysłów obserwatora, rozrzutu wskazań przyrządów pomiarowych oraz krótkotrwałych zmian wielkości wpływających.
• Błąd gruby to błąd znacznie przewyższający wartość oczekiwaną w danej serii pomiarowej. Powstaje on z powodu niewłaściwego odczytania wartości, pomyłki w zapisie, źle przeprowadzonego pomiaru lub uszkodzenia aparatury.

Ze względu na warunki fizyczne przeprowadzanych pomiarów wyróżniamy:

• Błąd podstawowy: błędy przyrządów pomiarowych.
• Błąd dodatkowy: błędy spowodowane zmianami właściwości przyrządów oraz obiektu pomiaru.
• Błąd metody: wynikają z oddziaływania przyrządów pomiarowych na obiekt pomiaru.
  Wyróżniamy również:
• Błąd względny: różnica między wartością przybliżoną (obliczoną) a wartością prawdziwą.
• Błąd bezwzględny: stosunek błędu bezwzględnego do wartości dokładnej.

Question 2

2. Defekty w sieci krystalograficznej, ich systematyka i wpływ na właściwości materiałów (przykłady).

Answer 2

Defekty struktury krystalograficznej to każde odchylenie od idealnej struktury. W zależności od charakterystycznego wymiaru, defekty można podzielić na:

1. Punktowe – odpowiadają za szybkość dyfuzji atomów w sieci, determinują całkowicie przewodnictwo elektryczne kryształów jonowych i silnie wpływają na ich właściwości optyczne.
2. Liniowe – często pojawiają się w rzeczywistych kryształach, wpływają na szybkość wzrostu kryształów i powodują obniżenie ich wytrzymałości na ścinanie.
3. Powierzchniowe – odpowiadają za umocnienie materiału i wzrost oporu materiału stawianego działającej sile podczas odkształcenia plastycznego.

Przykłady poszczególnych defektów:

1. Punktowe – wakanse, luki, defekt Frankela, defekt Schottky’ego; wynikają z wyjścia atomu na powierzchnię kryształu lub z opuszczenia węzłów wskutek drgań cieplnych.
2. Liniowe – dyslokacje (krawędziowe - wprowadzenie ekstrapłaszczyzny, śrubowe - przesunięcie płaszczyzn atomowych, mieszane - ich współwystępowanie w strukturach rzeczywistych); powstają w wyniku utworzenia się dodatkowej płaszczyzny atomowej w sieci krystalicznej podczas krzepnięcia i obróbki plastycznej.
3. Powierzchniowe – granice ziaren oraz międzyfazowe, które można podzielić na koherentne, półkoherentne i z zerwaną koherentnością; wynikają z kąta między dwoma sąsiednimi kierunkami krystalograficznymi.

Dodatkowo można wyróżnić defekty warstwowe, takie jak:
- Uskoki sieci krystalicznej
- Nakładanie się dwóch sieci na siebie
- Rozwarstwienie

Question 3

3. Definicja epitaksji, klasyfikacja metod epitaksji wytwarzania struktur optoelektronicznych.

Answer 3

Epitaksja to półprzewodnikowa technika wzrostu nowych warstw materiału na istniejącym podłożu krystalicznym, która odwzorowuje układ sieci krystalicznej podłoża.

W wytwarzaniu struktur optoelektronicznych wyróżnia się cztery główne techniki epitaksjalne, klasyfikowane według pierwotnego stanu skupienia osadzanego materiału (ciekły lub gazowy) oraz sposobu osadzania na podłożu (z wykorzystaniem wiązek molekularnych lub związków metaloorganicznych):

• LPE (Liquid Phase Epitaxy) – epitaksja z fazy ciekłej. W tym procesie roztwór osadzanego materiału zanurza się w rozpuszczalniku. Metoda ta umożliwia uzyskanie warstw epitaksjalnych o wysokiej jakości, z minimalną ilością defektów strukturalnych i zanieczyszczeń oraz wyraźną granicą metalurgiczną. Jest czuła termicznie i obecnie rzadko stosowana.
• VPE (Vapor Phase Epitaxy) – epitaksja z fazy gazowej. Ta technika pozwala na szybkie osadzanie nowych warstw i umożliwia osadzanie tylko tych pierwiastków, których związki można przeprowadzić w stan gazowy, takich jak GaAs czy GaP. Jest to metoda chemiczna i również czuła termicznie.
• MBE (Molecular Beam Epitaxy) – epitaksja z wykorzystaniem wiązek molekularnych. Jest to zaawansowana technika osadzania cienkich warstw o precyzyjnie określonym składzie chemicznym i rozkładzie profilu domieszki. Proces odbywa się w ultra wysokiej próżni, z doprowadzaniem składników warstw do podłoża za pomocą oddzielnych wiązek molekularnych.
• MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) – epitaksja z fazy gazowej z wykorzystaniem związków metaloorganicznych. Reagenty znajdują się w fazie gazowej, a osadzanie odbywa się przy ciśnieniu atmosferycznym lub obniżonym do 70-100 Torr. Typowa szybkość wzrostu warstw w tej chemicznej technice wynosi 15-25 nm/min.

Question 4

4. Dopasowanie energetyczne w obwodzie elektrycznym. Moc czynna i bierna w obwodzie elektrycznym.

Answer 4

Dopasowanie energetyczne polega na doborze impedancji obciążenia w celu przekazania maksymalnej mocy do obciążenia.

• Moc czynna to średnia moc chwilowa, mierzona w watach (W). Zależy od wartości skutecznej napięcia i prądu oraz od cosinusa przesunięcia fazowego między nimi (współczynnik mocy). Może przekształcać się w inne rodzaje mocy, takie jak mechaniczna czy cieplna.
• Moc bierna to iloczyn wartości skutecznej napięcia, prądu i sinusa przesunięcia fazowego między nimi, mierzona w warach (Var). Moc bierna nie przekształca się w inne rodzaje mocy. W obwodach prądu zmiennego moc bierną pobierają jedynie idealne cewki i kondensatory.

Question 5

5. Doświadczalne podstawy mechaniki kwantowej. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Answer 5

Doświadczalne podstawy mechaniki kwantowej:

• Dualizm korpuskularno-falowy – Obiekty fizyczne mogą wykazywać cechy zarówno cząstek, jak i fal. Mechanika kwantowa przewiduje, że cząstka może mieć jednocześnie właściwości falowe i korpuskularne, w zależności od sytuacji.
• Fale de Broglie’a – Louis de Broglie przypisał cząstkom materialnym właściwości falowe. Twierdził, że każdej cząstce o energii E i pędzie p przyporządkowana jest fala o częstości v i wektorze falowym k, spełniające zależności E=hv i p=ℏk, gdzie h to stała Plancka, a ℏ to zredukowana stała Plancka (podzielona przez 2π).
• Zasada Nieoznaczoności Heisenberga – Falowa natura materii ogranicza dokładność jednoczesnego określenia położenia i pędu cząstki. Im dokładniej zmierzymy jedno z tych parametrów, tym mniej precyzyjnie możemy zmierzyć drugi. Wynika to z faktu, że cząstka jest związana z paczką falową, która ma określoną rozciągłość w przestrzeni.
• Efekt tunelowy – Zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (fotoemisja, efekt fotoelektryczny) – Emisja elektronów spowodowana absorpcją promieniowania elektromagnetycznego (podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego). Foton musi mieć energię większą niż praca wyjścia elektronu z substancji, co opisuje równanie E=h⋅f, gdzie h to stała Plancka, a f to częstotliwość promieniowania.

Question 6

6. Elementy bierne wykonane techniką LTCC – konstrukcja i właściwości rezystorów, cewek i kondensatorów.

Answer 6

LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics) – to technologia niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, wykorzystująca elastyczne folie ceramiczne jako materiał podłożowy. Folie te, o grubości od 50 do 250 μm, składają się z mieszanki ceramiki, szkła i nośnika organicznego. Technologia LTCC umożliwia wytwarzanie złożonych układów mikroelektronicznych o wysokim stopniu upakowania i dużej niezawodności.

Zastosowanie elementów biernych w technice LTCC zapewnia dużą gęstość połączeń elektrycznych i małe rozmiary układu. Elementy te charakteryzują się dobrymi właściwościami przy wysokich częstotliwościach i dużych napięciach, są stabilne termicznie i rzadko ulegają uszkodzeniom katastroficznym.

Rezystory – w technologii LTCC dzielą się na:

• Powierzchniowe – rezystory planarne 2D, wytwarzane przez bezpośrednie naniesienie pasty rezystywnej na podłoże ceramiczne.
• Zagrzebane – rezystory przestrzenne 3D, wypełniane pastą rezystywną w otworach wyciętych w folii ceramicznej.

Cewki – realizowane jako elementy powierzchniowe i przestrzenne. W nadrukowanych na folię warstwach przewodzących wycina się laserowo spirale, meandry lub pierścienie. Połączenie kilku warstw z tak wyciętymi uzwojeniami w kształcie spirali pozwala uzyskać cewkę przestrzenną.

Kondensatory grubowarstwowe – zazwyczaj realizowane w układzie trójwarstwowym, gdzie dwie metaliczne elektrody są oddzielone warstwą dielektryczną. Zastosowanie podwójnej warstwy dielektryka może zredukować ryzyko zwarć.

Question 7

7. Filtry aktywne.

Answer 7

Filtr – urządzenie, które przepuszcza sygnały elektryczne o określonych częstotliwościach lub przedziałach częstotliwości, blokując inne. Filtry dzielą się na:

Filtry aktywne – układy wykorzystujące wzmacniacze operacyjne jako elementy aktywne w połączeniu z opornikami i kondensatorami, uzyskujące właściwości analogiczne do filtrów RLC. Filtry aktywne RC mogą pracować w szerokim zakresie częstotliwości.

• Filtr Butterwortha – charakteryzuje się maksymalnie płaską charakterystyką amplitudową w paśmie przepustowym.
• Filtr Czebyszewa – ma charakterystykę równomiernie falistą z możliwością konfiguracji szybkiego spadku pasma przepustowego.
• Filtr Bessela – zapewnia maksymalnie liniową charakterystykę fazy, co jest istotne dla sygnałów o zmiennej częstotliwości, i minimalizuje zniekształcenia sygnałów impulsowych.

Podział filtrów aktywnych według pasma przepustowego:

• Dolnoprzepustowy – przepuszcza sygnały od częstotliwości f=0 do częstotliwości granicznej fg.
• Górnoprzepustowy – przepuszcza sygnały od częstotliwości granicznej fg do nieskończoności.
• Środkowoprzepustowy (pasmowy) – przepuszcza sygnały od częstotliwości granicznej fg1 do fg2.
• Środkowozaporowy (zaporowy) – tłumi sygnały w zakresie częstotliwości od fg1 do fg2.

Podział ze względu na strukturę realizacji:

• Filtr Sallen-Key – z sterowanym źródłem napięciowym, popularna konfiguracja oparta na dwóch kondensatorach i wzmacniaczach operacyjnych.
• Filtry z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym (MFB) – wykorzystują sprzężenie zwrotne, umożliwiające precyzyjną kontrolę charakterystyk.

Dobroć filtru (Q) – parametrem projektowym związanym z rzędem filtru. Dobroć Q pozwala na projektowanie filtru Czebyszewa o określonej precyzji, zamiast projektować filtr Czebyszewa rzędu n.

Question 8

8. Generatory drgań sinusoidalnych.

Answer 8

Generator drgań (oscylator) – układ elektroniczny służący do wytwarzania drgań elektrycznych. Składa się z wzmacniacza oraz obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego, który przekazuje sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście. Częstotliwość drgań określa obwód sprzężenia zwrotnego, natomiast amplitudę drgań – parametry wzmacniacza.

Aby układ mógł rozpocząć generowanie drgań, muszą zostać spełnione dwa warunki:

• Amplituda – sygnał z układu sprzężenia zwrotnego musi być na tyle silny, aby na wyjściu wzmacniacza uzyskać sygnał o tej samej lub większej amplitudzie (tłumienie układu sprzężenia zwrotnego nie może być większe niż wzmocnienie wzmacniacza).
• Faza – maksima sygnału na wejściu wzmacniacza, po przejściu przez wzmacniacz i układ sprzężenia zwrotnego, muszą występować w tym samym czasie (przesunięcie fazowe całego układu musi być równe wielokrotności 2π lub 360°).

Rodzaje generatorów:

• Generatory drgań sinusoidalnych – generują przebiegi sinusoidalne.
• Generatory przebiegów niesinusoidalnych (przerzutniki) – generują przebiegi prostokątne, trójkątne, itp.
• Generatory cyfrowe DDS (Direct Digital Synthesis) – generują przebiegi cyfrowe, które można łatwo zmieniać w czasie rzeczywistym.

Metody realizacji sprzężenia zwrotnego:

• RC – wykorzystuje rezystory i kondensatory (np. generator z mostkiem Wiena).
• LC – wykorzystuje obwód rezonansowy (np. generator Meissnera).

Najważniejsze parametry:

• **Częstotliwość generowanego przebiegu
• Stabilność częstotliwościowa
• Amplituda przebiegu.
• Stabilność amplitudowa
• Fluktuacja amplitudy.
• Zawartość harmonicznych – zniekształcenia nieliniowe.
• Parametry energetyczne – moc i sprawność.**

Question 9

9. Istota i cele logistyki w inżynierii produkcji.

Answer 9

Logistyka – proces planowania, realizowania i kontrolowania sprawnego oraz efektywnego ekonomicznie przepływu surowców, podzespołów, wyrobów gotowych i informacji.

Inżynieria Produkcji – dziedzina zajmująca się optymalizacją złożonych procesów produkcyjnych, obejmująca problemy związane z przemysłowym wytwarzaniem produktów.

Logistyka jest narzędziem do realizacji głównych celów inżynierii produkcji, takich jak:

• Poprawa procesu produkcji i produktu
• Wzmocnienie pozycji rynkowej
• Ograniczenie kosztów
• Maksymalizacja zysków

Opiera się na zasadzie 7R (Right – właściwy):

• Właściwy produkt
• Właściwa ilość
• Właściwa jakość
• Właściwe miejsce
• Właściwy czas
• Właściwy klient
• Właściwa cena

Question 10

10. Jakie rodzaje fal mogą występować w prowadnicach falowych? Sklasyfikować prowadnice falowe na dwie grupy w zależności od rodzaju prowadzonej fali. Jakie kryterium w tym celu należy zastosować?

Answer 10

Prowadnica falowa – układ przewodników lub dielektryków, który umożliwia propagację fal elektromagnetycznych w określonym kierunku. Kryterium podziału prowadnic falowych to rodzaj prowadzonych fal, a dokładniej rozmieszczenie pola elektrycznego i magnetycznego w płaszczyźnie względem kierunku propagacji fali.

Jeśli w prowadzonych przez prowadnice falowe obie składowe (pola elektrycznego i magnetycznego) są poprzeczne to wyróżniamy fale:

(Prowadnice TEM)
* TEM (Transverse Electric-Magnetic, poprzeczna elektryczna-magnetyczna) – Ez = 0, Hz = 0, pole elektryczne i magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali.

Przykłady – Linia współosiowa lub lina symetryczna.

Jeśli nie to wyróżniamy fale:

(Falowody)
* E (TM – z ang. Transverse Magnetic, poprzeczna magnetyczna) – Ez ≠ 0, Hz =0, pole magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali.
* H (TE – z ang. Transverse Electric, poprzeczna elektryczna) – Ez = 0, Hz ≠ 0, pole elektryczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali.
* EH Ez ≠ 0, Hz ≠ 0, żadne z pól nie leż w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali.

Przykłady – Falowód metalowy prostokątny lub falowód dielektryczny