Кафедра мікроелектроніки

[BMmF 07] Електронні сенсори та біочіпи

Робоча програма навчальної дисципліни (Силабус)

Реквізити навчальної дисципліни

Рівень вищої освіти	Другий (магістерський)
Галузь знань	16 - Хімічна та біоінженерія
Спеціальність	163 - Біомедична інженерія
Освітня програма	Всі ОП
Статус дисципліни	Вибіркова (Ф-каталог)
Форма здобуття вищої освіти	Очна
Рік підготовки, семестр	Доступно для вибору починаючи з 1-го курсу, весняний семестр
Обсяг дисципліни	5 кред. (Лекц. 18 год, Практ. 36 год, Лаб. год, СРС. 96 год )
Семестровий контроль/контрольні заходи	Екзамен
Розклад занять	https://rozklad.kpi.ua
Мова викладання	Українська
Інформація про керівника курсу / викладачів	Лекц.: Орлов А. Т., Практ.: Орлов А. Т., СРС.: Орлов А. Т.
Розміщення курсу

Програма навчальної дисципліни

1. Опис навчальної дисципліни, її мета, предмет вивчання та результати навчання

Навчальна дисципліна «Електронні сенсори та біочіпи» (далі ЕСБЧ) дуже важлива для вивчення майбутніми магістрами біомедичної інженерії, тому, що сучасні методи та обладнання діагностики захворювань, моніторингу фізичного стану людини у клініках, амбулаторіях вдома та тренувальних закладах, при проведенні біомедичних наукових досліджень використовують величезну кількість електронних сенсорів. Навчальна дисципліна ЕСБЧ є вибірковою і забезпечує можливість формування індивідуальної освітньої траєкторії, у т.ч. через індивідуальний вибір навчальних дисциплін в обсязі, передбаченому законодавством України про вищу освіту

Метою вивчення навчальної дисципліни є:

надати обґрунтування механізмам перетворення певних фізичних, хімічних та біомедичних величин (температури, тиску, концентрації, переміщення, швидкості, прискорення, pH, тощо) в електричний сигнал, які використовуються для побудови сенсорів та біочіпів;
отримання знань для самостійного розроблення на основі вивчених фізичних та інших ефектів нові види біомедичних сенсорів та приладів і обладнання з їх використанням.

Після засвоєння навчальної дисципліни студенти мають продемонструвати такі результати навчання:

знання: основних показників фізичного стану людини та теорії отримання біосигналів, фізичних явищ (ефектів), які лежать в основі роботи сучасних сенсорів температури, тиску, газу, вологості, фізіологічних рідин, переміщення, швидкості, прискорення, магнітних полів та радіоактивності та ін.

Загальні компетентності

1. ЗК 1 - Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу.

2. ЗК 2 - Здатність до пошуку, оброблення та аналізу інформації з різних джерел.

3. ЗК 3 - Вміння виявляти, ставити та вирішувати проблеми.

4. ЗК 5 - Здатність працювати в міжнародному контексті.

Спеціальні (фахові) компетентності:

1. ФК 1 - Здатність вирішувати комплексні проблеми біомедичної інженерії із застосовуванням методів математики, природничих та інженерних наук.

2. ФК 2 - Здатність розробляти робочу гіпотезу, планувати і ставити експерименти для перевірки гіпотези і досягнення інженерної мети за допомогою відповідних технологій, технічних засобів та інструментів.

3. ФК 3 - Здатність аналізувати складні медико-інженерні та біоінженерні проблеми та здійснювати їх формалізацію для знаходження кількісних рішень із застосуванням сучасних математичних методів та інформаційних технологій.

4. ФК 4 - Здатність створювати і вдосконалювати засоби, методи та технології біомедичної інженерії для дослідження і розробки біоінженерних об’єктів та систем медико-технічного призначення.

5. ФК 5 - Здатність розробляти технічні завдання на створення, а також моделювати, оцінювати, проектувати та конструювати складні біоінженерні та медико-інженерні системи і технології.

6. ФК 8 - Здатність розробляти моделі та проводити експерименти, спрямовані на вирішення проблем, пов’язаних із здоров’ям людини, відповідно до конкретних потреб наукового пошуку, аналізувати, пояснювати результати та оцінювати вартість досліджень.

7. ФК 9 Здатність до створення інструментів та методологій наукової діяльності, оцінювання та впровадження результатів сучасних розробок, рішень та досягнень інженерних і точних наук в медицину і біологію.

8. ФК 12 - Здатність проводити дослідження та спостереження щодо взаємодії біологічних, природних та штучних систем (протези, штучні органи та ін.), планувати біотехнічні випробування штучних протезів та систем.

Результатами навчання після вивчення дисципліни:

1. ПРН 1 Розуміння фундаментально-прикладних, медико-фізичних та біоінженерних основ технологій та обладнання для дослідження фізіологічних і патологічних процесів людини.

2. ПРН 2 Розуміння принципів дії сучасної діагностичної апаратури та систем відображення біомедичної інформації, основ відповідного програмного забезпечення.

3. ПРН 4 Застосування методів розрахунку та вибору класичних та новітніх конструкцій біоматеріалів, елементів приладів і систем медичного призначення.

4. ПРН 7 Володіння методами дослідження, проектування і конструювання об’єктів біомедичної техніки, аналіз і обробку експериментальних даних.

5. ПРН 8 Знання загальних вимог до умов виконання інженерних, технологічних та наукових проектів.

6. ПРН 9 Знання принципів розвитку і сучасних проблем створення біосумісних матеріалів в медичній практиці.

7. ПРН 13 Володіння іноземною мовою в обсязі, достатньому для загального та професійного спілкування

8. ПРН 16 Знання методів проектування, конструювання, вдосконалення та застосовувння медико-технічних та біоінженерніих виробів, приладів, апаратів і системи з дотриманням технічних вимог, а також супроводжувати їх експлуатацію.

9. ПРН 25 Впровадження досягнень вітчизняної та зарубіжної науки і техніки, використання творчої ініціативи, раціоналізації, винахідництва та передового досвіду, які забезпечують ефективну роботу медичного підприємства.

Програмні результати навчання, контрольні заходи та терміни виконання оголошуються студентам на першому занятті.

2. Пререквізити та постреквізити дисципліни (місце в структурно-логічній схемі навчання за відповідною освітньою програмою)

Дисципліна має міждисциплінарний характер. Вона інтегрує відповідно до свого предмету знання з інших освітніх і наукових галузей: фізіологія, біохімія, біофізика, механіка, матеріалознавство, електроніка, лабораторна, лікувальна і діагностична медична техніка, отримання і обробка сигналів і зображень. За структурно-логічною схемою програми підготовки магістра з біомедичної інженерії тісно пов’язана з іншими дисциплінами, сучасними науковими дослідженнями із спеціальності і технологіями в охороні здоров’я.

Пререквізити: Фізика; Теорія біомедичних сигналів; Аналогова схемотехніка; Електротехніка та електронні прилади-1; Біофізичні перетворювачі; Біомедичні прилади, апарати і комплекси-1; Діагностична техніка.

Постреквізити: Магістерська дисертація у галузі біомедичної інженерії.

Необхідні навички

Знання іноземної мови.
Здатність до абстрактного мислення, аналізу та синтезу.
Здатність до пошуку, оброблення та аналізу
Інформації з різних джерел.
Здатність працювати в команді.
Здатність працювати в міжнародному контексті.
Здатність аналізувати складні медико-інженерні та біоінженерні проблеми та здійснювати їх формалізацію для знаходження кількісних рішень із застосуванням сучасних математичних методів та інформаційних технологій.
Здатність досліджувати біологічні та технічні аспекти функціонування та взаємодії штучних біологічних і біотехнічних систем.

3. Зміст навчальної дисципліни

Перелік розділів та тем:

Розділ 1. Сенсорні вимірювання.

Тема 1.1 Класифікація сенсорів. Активні і пасивні сенсори.

Тема 1.2 Вимірювання в біомедицині.

Тема 1.3 Пристрої обробки вимірювальних сигналів.

Тема 1.4 Схеми формування сигналів пасивних сенсорів.

Тема 1.5 Схеми включення активних сенсорів.

Розділ 2. Особливості конструювання біомедичних сенсорів.

Тема 2.1 Біофізичні сигнали. Активність об’єкту вимірювання та індивідуальна особливість.

Тема 2.2 Моделі та конструкції біомедичних електродів. Області застосування біомедичних сенсорів.

Розділ 3. Оптоелектронні та волоконно-оптичні сенсори.

Тема 3.1 Класифікація волоконно- оптичних сенсорів.

Тема 3.2 Сучасні оптоелектронні сенсори. Особливості пульсоксиметрії.

Розділ 4. Сенсори температури.

Тема 4.1 Термометри опору.

Тема 4.2 Термопарні сенсори.

Тема 4.3 Сенсори температури на фотоефекті.

Тема 4.4 Діелектричні сенсори температури.

Тема 4.5 Сенсори температури на напівпровідникових структурах.

Розділ 5. Механічні та акустичні сенсори.

Тема 5.1 Акустичні дослідження у медицині.

Тема 5.2 Реєстрація статичних та динамічних механічних напружень.

Тема 5.3 Тензорезистивні перетворювачі, використання кремнію

для вимірювання деформаціі. П’єзоелектричні ОАХ та ПАХ сенсори.

Тема 5.4 Акселерометри. Сенсори потоку. Сенсори лінійної та кутової швидкості.

Тема 5.5 Датчики тиску та їх використання у біомедицині. МЕМС технології та сенсори.

Розділ 6. Сенсори магнітного поля.

Тема 6.1 Взаємодія магнітного поля із твердим тілом. Ефект Холла. Магніторезистори.

Тема 6.2 Взаємодія магнітного поля з біооб’єктами.

Тема 6.3 Вплив магнітних полів на параметри напівпровідникових приладів.

Розділ 7. Сенсори жорсткого випромінювання.

Тема 7.1 Детектори на основі іонізації газів.

Тема 7.2 Напівпровідникові детектори.

Тема 7.3 Сцинтиляційні детектори.

Розділ 8. Газові сенсори.

Тема 8.1 Cорбційні сенсори QCM сенсори. Сенсори вологості.

Тема 8.2 Калориметричні та каталітичні методи визначення газового складу.

Тема 8.3 Оптичні та ультразвукові методи визначення складу газу.

Тема 8.4 Іонно-селективні польові транзистори та МДН-варікапи.

Розділ 9. Сенсори фізіологічних рідин.

Тема 9.1 Електрохімічні методи дослідження рідин.

Тема 9.2 Амперометричні, потенціометричні та кондуктометричні сенсори.

Тема 9.3 Сенсори глюкози, поту, сльозної рідини та сечовини. Біохімічнi та iмунні сенсори.

Розділ 10. Біосенсори і біочіпи.

Тема 10.1 Складені сенсори. Структура біосенсорів. Біомедичні наносенсори.

Тема 10.2 Сенсори на основі ДНК.

Тема 10.3 Принципи побудови біочіпів. Електронні інтерфейси з біомедичними об’єктами.

Тема 10.4 Мультипараметричні сенсори «електронний ніс» та «електронний язик».

№ з/п

Тема

Програмні результати навчання

Основні завдання

Контрольний

захід

Термін

виконання

Розділ 1. Сенсорні вимірювання

Вступ. Терміни та визначення. Похибки. Класифікація сенсорів. Активні і пасивні сенсори.

Вимірювання в біомедицині.

Пристрої обробки вимірювальних сигналів.

ПРН 5

ПРН 7

ПРН 9

Практичне

заняття №1

1й тиждень

Схеми формування сигналів пасивних сенсорів. Схеми включення активних сенсорів.

ПРН 7

ПРН 9

Практичне

заняття №2

РГР1

2 тиждень

Розділ №2 Особливості конструювання біомедичних сенсорів

Біофізичні сигнали. Активність об’єкту вимірювання та індивідуальна особливість.

Моделі та конструкції біомедичних електродів. Області застосування біомедичних сенсорів.

ПРН 5

ПРН 8

Лабораторна робота №1

Практичне

заняття №3

3 тиждень

Розділ №3 Оптоелектронні та волоконно-оптичні сенсори

Класифікація волоконно- оптичних сенсорів.

Сучасні оптоелектронні сенсори. Особливості пульсоксиметрії.

ПРН 8

ПРН 10

ПРН 19

Лабораторна робота №2

Практичне заняття №4

4 тиждень

Розділ № 4 Сенсори температури

Термометри опору.

Термопарні сенсори.

Сенсори температури на фотоефекті.

Діелектричні сенсори температури.

Сенсори температури на напівпровідникових структурах.

ПРН 8

ПРН 12

Лабораторна робота №3

Практичне заняття №5

5 тиждень

Розділ № 5 Механічні та акустичні сенсори

Акустичні дослідження у медицині. П’єзоелектричні ОАХ та ПАХ сенсори.

ПРН 4

ПРН 9

Практичне заняття №6

6 тиждень

Реєстрація статичних та динамічних механічних напружень.

Тензорезистивні перетворювачі, використання кремнію

для вимірювання деформаціі.

ПРН 9

ПРН 11

Лабораторна робота №4

Практичне

заняття №7

7 тиждень

Акселерометри. Сенсори потоку. Сенсори лінійної та кутової швидкості.

Датчики тиску та їх використання у біомедицині. МЕМС технології та сенсори.

ПРН 10

ПРН 19

ПРН 5

Лабораторна робота №5

Практичне

заняття №8

8 тиждень

Розділ № 6 Сенсори магнітного поля

Взаємодія магнітного поля із твердим тілом. Вплив магнітних полів на параметри напівпровідникових приладів. Ефект Холла. Магніторезистори.

Взаємодія магнітного поля з біооб’єктами.

ПРН 8

ПРН 9

ПРН 11

Лабораторна робота №6

Практичне

заняття №9

9 тиждень

Розділ № 7 Сенсори жорсткого випромінювання

Детектори на основі іонізації газів.

Напівпровідникові детектори.

Сцинтиляційні детектори.

ПРН 9

ПРН 11

Лабораторна робота №7

Практичне

заняття №10

10 тиждень

Розділ № 8 Газові сенсори

Cорбційні сенсори. QCM сенсори. Сенсори вологості.

Калориметричні та каталітичні методи визначення газового складу.

Оптичні та ультразвукові методи визначення складу газів.

Іонно-селективні польові транзистори та МДН-варікапи.

ПРН 9

ПРН 11

Практичне

заняття №11

11 тиждень

Розділ № 9 Сенсори фізіологічних рідин

Електрохімічні методи дослідження рідин.

Амперометричні, потенціометричні та кондуктометричні сенсори.

Сенсори глюкози, поту, сльозної рідини та сечовини. Біохімічнi та iмунні сенсори. Сенсори на основі ДНК.

ПРН5

ПРН 9

ПРН 11

ПРН 20

Лабораторна робота №8

Практичне

заняття №12

12 тиждень

Розділ № 10 Біосенсори і біочіпи

Складені сенсори. Структура біосенсорів. Біомедичні наносенсори.

Принципи побудови біочіпів. Електронні інтерфейси з біомедичними об’єктами.

ПРН 9

ПРН 11

ПРН 20

МКР1

Практичне

заняття №13

13 тиждень

Мультипараметричні сенсори «електронний ніс» та «електронний язик».

ПРН 8

ПРН 9

ПРН 11

МКР1 Захист

Здавання лабораторних робіт

14 тиждень

Модульна контрольна робота є поточним контрольним заходом, яка охоплює практичні навички застосовувати сучасні інструменти і технології пошуку, оброблення та аналізу інформації, дослідження дотичних до біомедичної сенсорики міждисциплінарних напрямів з використанням сучасних інструментів, критично аналізувати результати власних досліджень і результати інших дослідників у контексті усього комплексу сучасних знань щодо досліджуваної проблеми. Виконується та здається індивідуально за різними розділами навчальної дисципліни.

4. Навчальні матеріали та ресурси

Базові ресурси

1. Електронні методи і засоби біомедичних вимірювань. Навчальний посібник Рекомендовано Вченою радою НТУУ «КПІ» (протокол № 6 від16. 05. 2016 р) /С.К. Мещанінов, В. М. Співак, А. Т. Орлов. – К.: Кафедра, 2016. – 211 с. (ISBN 978-617-7301-18-8)

2. Мікроелектронні сенсори фізичних величин: В 3-ох т. / В. Вуйцік, З. Готра, О. Готра та інш.; Львів: Ліга-Прес, 2003. – 595 с.

3. Дзядевич С.В., Солдаткін О.П. Наукові та технологічні засади створення мініатюрних електрохімічних біосенсорів.- Київ: Наукова думка. 2006.-255с.

4. Дзядевич С. В. Амперометричні ферментні біосенсори / С. В. Дзядевич // Biotechnologia Acta . - 2008. - Т. 1, № 1. - С. 46-60. - Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/j-pdf/biot_2008_1_1_7.pdf

5. Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры. - М.: Техносфера, 2005,-336с.

6. Биосенсоры: Основы и приложения. /Под ред. Э.Тернера и др.-М.: Мир. 1992.-614с.

7. Биосенсоры/Под ред. А.М.Егорова.- М.: Наука, 1990.-164с.

8. Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з курсу „Фізичні основи сенсорики” для підготовки бакалаврів за напрямком 6.050801 «Мікро- та наноелектроніка» - Електронне видання, гриф” Рекомендовано Вченою радою ФЕЛ”, Витяг з протоколу №09/13 від 30.09.2013, Укл. Коваль В.М. – Київ, 2013. – 35 с.

Допоміжні ресурси

1. Засоби та методи вимірювань неелектричних величин: підручник / Є.С. Поліщук [та ін.] Львів: Вид-во "Бескид Біт", 2008. – 618 с.

2. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник.- М.: Техносфера, 2005.-588с.

3. *Бусурин В.И., Носов Ю.Р., Волоконно-оптические датчики. Физические основы, вопросы расчета и применения. -М.: Энергоатомиздат, 1990.-320с.

4. Датчики измерительных систем: В 2-х кн.: пер. с франц. / Ж. Аш и др. М.: Мир, 1992. – 480 с.

5. Датчики. Устройство и применение: пер. с нем. / Г. Виглеб. М.: Мир, 1989. – 196с.

6. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. – М.: Техносфера, 2007. – 384 с.

Навчальний контент

5. Методика опанування навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Назви розділів і тем	Кількість годин
	Всього	у тому числі
		Лекції		ПРАКТИЧНІ					Лаборант.	Індивідуальні заняття		СРС
		Лекції		Семінари		Комп. практ.
		За НП	Аудиторні	За НП	Аудиторні	За НП	Аудиторні
1	2	3		4					5	6		7
Розділ 1. Сенсорні вимірювання
1 Вступ. Терміни та визначення. Похибки. Класифікація сенсорів. Активні і пасивні сенсори. Вимірювання в біомедицині. Пристрої обробки вимірювальних сигналів.	10	2		2		0						6
2 Схеми формування сигналів пасивних сенсорів. Схеми включення активних сенсорів.	10	2		2		0						6
*Разом за розділом 1*	20	4		4					0			12
Розділ №2 Особливості конструювання біомедичних сенсорів
3 Біофізичні сигнали. Активність об’єкту вимірювання та індивідуальна особливість. Моделі та конструкції біомедичних електродів. Області застосування біомедичних сенсорів.	12	2		2				2			6
*Разом за розділом 2*	12	2		6		0			2			6

Розділ №3 Оптоелектронні та волоконно-оптичні сенсори
4 Класифікація волоконно- оптичних сенсорів. Сучасні оптоелектронні сенсори. Особливості пульсоксиметрії.	16	2		2				2			10
*Разом за розділом 3*	16	2		2		0			2			10
Розділ № 4 Сенсори температури
5 Термометри опору. Термопарні сенсори. Сенсори температури на фотоефекті. Діелектричні сенсори температури. Сенсори температури на напівпровідникових структурах.	14	2		2				2			8
Разом за розділом 4	14	2		2		0		2			8
Розділ № 5 Механічні та акустичні сенсори
6 Акустичні дослідження у медицині. П’єзоелектричні ОАХ та ПАХ сенсори.		2		2				2			2
7 Реєстрація статичних та динамічних механічних напружень. Тензорезистивні перетворювачі, використання кремнію для вимірювання деформаціі.		2		2				2			2
8 Акселерометри. Сенсори потоку. Сенсори лінійної та кутової швидкості. Датчики тиску та їх використання у біомедицині. МЕМС технології та сенсори.		2		2				2			2
Разом за розділом 5	22	6		6		0		6			6
Розділ № 6 Сенсори магнітного поля
9 Взаємодія магнітного поля із твердим тілом. Вплив магнітних полів на параметри напівпровідникових приладів. Ефект Холла. Магніторезистори. Взаємодія магнітного поля з біооб’єктами.		2		2				2			4
Разом за розділом 6	8	2		2		0		2			4
Розділ № 7 Сенсори жорсткого випромінювання
10 Детектори на основі іонізації газів. Напівпровідникові детектори. Сцинтиляційні детектори.		2		2				2			2
Разом за розділом 7	8	2		2		0		2			2
Розділ № 8 Газові сенсори
11 Cорбційні сенсори. QCM сенсори. Сенсори вологості. Калориметричні та каталітичні методи визначення газового складу. Оптичні та ультразвукові методи визначення складу газів. Іонно-селективні польові транзистори та МДН-варікапи.		2		2							2
Разом за розділом 8	6	2		2		0		0			2
Розділ № 9 Сенсори фізіологічних рідин
12 Електрохімічні методи дослідження рідин. Амперометричні, потенціометричні та кондуктометричні сенсори. Сенсори глюкози, поту, сльозної рідини та сечовини. Біохімічнi та iмунні сенсори. Сенсори на основі ДНК.		2		2				2			2
Разом за розділом 9	8	2		2		0		2			2
Розділ № 10 Біосенсори і біочіпи
13 Складені сенсори. Структура біосенсорів. Біомедичні наносенсори. Принципи побудови біочіпів. Електронні інтерфейси з біомедичними об’єктами.		2		2							4
14 Мультипараметричні сенсори «електронний ніс» та «електронний язик».		2		2
Разом за розділом 9	14	4		4		0		0			4
Екзамен	2	2
*Всього годин*	150	28		26		0		18			78

Рекомендації щодо засвоєння навчальних занять (у формі деталізованого опису кожного заняття та запланованої роботи):

Аудиторні заняття

№

з/п

Теми аудиторних занять

Кількість

годин

Лекція 1. Сенсорні вимірювання

Заплановано: Вступ. Терміни та визначення. Похибки. Класифікація сенсорів. Активні і пасивні сенсори.

Практичні: Вимірювання в біомедицині.

Пристрої обробки вимірювальних сигналів.

Тема СРС: Роль сенсорів у біомедицині, діагностиці та медичному обладнанні

Лекція 2. Схеми включення сенсорів.

Заплановано: Схеми формування сигналів пасивних сенсорів. Схеми включення активних сенсорів.

Практичні: Мост Уінстона, генераторні схеми

Тема СРС: Реферативний огляд інтернет-ресурсів щодо теми лекції. Підготовка аналітичної довідки до 5 сторінок.

Лекція 3. Особливості біомедичних сенсорів

Заплановано: Біофізичні сигнали. Активність об’єкту вимірювання та індивідуальна особливість. Області застосування біомедичних сенсорів.

Практичні: Моделі та конструкції біомедичних електродів.

Лекція 4. Оптоелектронні сенсори.

Заплановано: Класифікація волоконно- оптичних сенсорів.

Сучасні оптоелектронні сенсори. Особливості пульсоксиметрії.

Практичні: Фотофольтаїчний ефект.

Лабораторна робота №1. Оптопари. Дослідження пульсоксиметра.

Лекція 5. Сенсори температури.

Заплановано: Термометри опору. Термопарні сенсори. Сенсори температури на фотоефекті. Діелектричні сенсори температури.

Сенсори температури на напівпровідникових структурах.

Практичні: Піроелектричний ефект.

Лабораторна робота №2. Температурні сенсори.

Лекція 6. Механічні та акустичні сенсори-1

Заплановано: Акустичні дослідження у медицині. П’єзоелектричні ОАХ та ПАХ сенсори.

Практичні: Фізичні основи п’єзоелектричного ефекту

Лабораторна робота №3. П’єзокерамічний сенсор вібрацій.

Лекція 7. Механічні сенсори- 2

Заплановано: Реєстрація статичних та динамічних механічних напружень.

Тензорезистивні перетворювачі, використання кремнію для вимірювання деформаціі.

Практичні: Тензорезистивний ефект

Лабораторна робота №4. Тензорезистивний сенсор сили.

Лекція 8. Механічні сенсори- 3

Заплановано: Акселерометри. Сенсори потоку. Сенсори лінійної та кутової швидкості. Датчики тиску та їх використання у біомедицині. МЕМС технології та сенсори.

Практичні:

Лабораторна робота №5. Датчики тиску у тонометрах та спірометрах.

Лекція 9. Сенсори магнітного поля

Заплановано: Взаємодія магнітного поля із твердим тілом. Вплив магнітних полів на параметри напівпровідникових приладів. Ефект Холла. Магніторезистори.

Практичні: Взаємодія магнітного поля з біооб’єктами.

Лабораторна робота №6. Датчик Холла.

Лекція 10. Сенсори жорсткого випромінювання

Заплановано: Детектори на основі іонізації газів. Напівпровідникові детектори. Сцинтиляційні детектори.

Практичні: Сцинтиляційний ефект.

Лабораторна робота №7. Лічильник Гейгера-Мюллера

Лекція 11. Сенсори концентрації газів

Заплановано: Cорбційні сенсори. QCM сенсори.

Калориметричні та каталітичні методи визначення газового складу. Оптичні та ультразвукові методи визначення складу газів.

Іонно-селективні польові транзистори та МДН-варікапи.

Практичні: Сенсори вологості.

Лабораторна робота №8. Іонно-селективні польові транзистори.

Лекція 12. Сенсори фізіологічних рідин

Заплановано: Електрохімічні методи дослідження рідин.

Амперометричні, потенціометричні та кондуктометричні сенсори.

Сенсори глюкози, поту, сльозної рідини та сечовини. Біохімічнi та iмунні сенсори. Сенсори на основі ДНК.

Практичні: Сучасний стан неінвазивних глюкометрів.

Лабораторна робота №9. Датчик pH.

Лекція 13. Біосенсори та біочіпи -1

Заплановано: Складені сенсори. Структура біосенсорів. Біомедичні наносенсори. Принципи побудови біочіпів.

Практичні: Електронні інтерфейси з біомедичними об’єктами.

Лекція 14. Біосенсори та біочіпи -2

Заплановано: Мультипараметричні сенсори «електронний ніс» та «електронний язик». Наносенсори у протезуванні органів почуттів.

Практичні: --

Разом

Навчання здійснюється на основі сучасної стратегії взаємодії викладача та студента в електронному просторі з метою засвоєння студентами матеріалу та розвитку у них практичних навичок.

Для більш ефективної комунікації з метою розуміння структури навчальної дисципліни та засвоєння матеріалу використовується платформа Google classroom за допомогою якої:

- спрощується розміщення та обмін навчальним матеріалом;

- здійснюється надання зворотного зв’язку студентам стосовно навчальних завдань та змісту навчальної дисципліни;

- оцінюються навчальні завдання студентів;

- ведеться облік виконання студентами плану навчальної дисципліни, графіку виконання

Практичні (семінарські) заняття

Практичні заняття проводяться як семінари із виьраних студентами тем. Студенти готують презентації та запитання до до доповідаяа та викладача з обраної теми. Оціцнюється якість презентації, доповіді та активність студентів на практичних заняттях.

Тематика практичних занять:

Останні розробки неінвазивних датчиків глюкози
Неінвазивні сенсори січової кислоти у крові
Біомедичні сенсори на основі графену
Мікрофлюїдика у біосенсорах та біочіпах
Сенсори (зокрема біосенсори) на основі метаматеріалів
Волоконно-оптичні датчики для біомедичних застосувань
Ультразвукове живлення імплантованих біосенсорів
Плазмон-резонансні біосенсори та біочіпи
Біосенсори на основі наноструктур оксиду цинка
Біосенсори на основі наноплівок оксиду олова
Біосенсори на основі ДНК і РНК
Біосенсори на основі іоноселективних польових транзисторів
Основні конструкції ферментних потенціалометричних біосенсорів
Основні конструкції амперометричних біосенсорів
Кондуктометричні біосенсори
Використання медіаторів в биосенсорах другого покоління
Біосенсори на основі поверхневих акустичних хвиль
Біочіпова технологія аналізу нуклеїнових кислот
Біочіп: побудова, принцип роботи і медичне застосування
Можливості застосування імунних реакцій при створенні біосенсорів
Методи іммобілізації біологічних елементів біосенсорах
Ферменти як біологічні тестуючи елементи біосенсорної системи
Антитіла (антигени) як біологічний тестуючий елемент біосенсорів
Поліферментні біосенсори
Застосування явищ хемолюмінесценції і біолюмінесценції в сенсорах
Технології друкованої та гнучкої електроніки у біосенсорах та медичних системах

Лабораторні роботи

Виконання лабораторної роботи полягає у тому, що студент практично виконав технічне завдання, зробив необхідні розрахунки і побудував графічні залежності (якщо вони передбачені). Виконання усіх передбачених навчальним планом дисципліни лабораторних робіт є обов’язковим.

Лабораторні роботи проводяться у міжфакультетській навчальній лабораторії Біомедичної мікроелектроніки «Мікроелектронні сенсорні системи» аудиторія 147 12 корпусу (наук. керівник проф. Орлов А.Т.) створеній в результаті виконання грантового проекту Європейського Союзу ТЕМПУС – (2013-2017) «Біомедична інженерна освітня ініціатива Темпус в регіоні Східного Партнерства», № договору - 543904-TEMPUS-1-2013-1-GR-TEMPUS-JPGR .

Перелік лабораторних робіт за курсом:

1. Лабораторна робота №1. Оптопари. Дослідження пульсоксиметра.

2. Лабораторна робота №2. Температурні сенсори.

3. Лабораторна робота №3. П’єзокерамічний сенсор вібрацій.

4. Лабораторна робота №4. Тензорезистивний сенсор сили.

5. Лабораторна робота №5. Датчики тиску у тонометрах та спірометрах.

6. Лабораторна робота №6. Датчик Холла.

7. Лабораторна робота №7. Лічильник Гейгера-Мюллера

8. Лабораторна робота №8. Іонно-селективні польові транзистори.

9. Лабораторна робота №9. Датчик pH.

Захист лабораторної роботи передбачає відповідь студента на 2…4 запитання по темі роботи. Захист усіх передбачених навчальним планом дисципліни лабораторних робіт є обов’язковим.

6. Самостійна робота студента

Види самостійної роботи: підготовка до аудиторних занять здійснюється відповідно до планку дисципліни за наведеними в ньому посиланнями на платформу Google classroom, проведення розрахунків при виконанні РГР за первинними даними, розв’язок задач, написання реферату, виконання розрахункової роботи, виконання модульної контрольної роботи тощо надсилається викладачу в електронному вигляді через систему Google classroom та в терміни часу вказаний у системі поточного оцінювання. Самостійна робота студента включає підготовку до модульної контрольної роботи.

Політика та контроль

7. Політика навчальної дисципліни (освітнього компонента)

Порушення термінів виконання завдань та заохочувальні бали:

Заохочувальні бали		Штрафні бали
Критерій	Ваговий бал	Критерій	Ваговий бал
Виконання практичних робіт	4 бали	Порушення термінів виконання практичних робіт	1 бал
Своєчасне написання МКР	0 балів	Несвоєчасне написання ДКР або МКР	5 балів
Своєчасна здача іспиту	0 бали	Перездача іспиту	5 балів

Відвідування занять

Відвідування лекцій, практичних та виїзних занять не оцінюється, за відсутність на них нараховуються штрафні 0,5 бали. Студентам рекомендується відвідувати заняття, оскільки на них викладається теоретичний матеріал та розвиваються навички, необхідні для виконання семестрового індивідуального завдання. Система оцінювання орієнтована на отримання балів за активність студента, а також виконання завдань, які здатні розвинути практичні уміння та навички.

Пропущені контрольні заходи необхідно перескласти до завершення атестаційного тижня.

Тематичне завдання, яке подається на перевірку з порушенням терміну виконання – не оцінюється.

8. Види контролю та рейтингова система оцінювання результатів навчання (РСО)

Модульна контрольна робота є поточним контрольним заходом, який охоплює практичні навички застосування біомедичної сенсоріки.

Перелік питань, з яких формуються білети для модульної контрольної роботи:

1. Основні поняття та класифікація сенсорів.

2. Вплив температури на електропровідність металів.

3. Вплив температури на електропровідність сплавів.

4. Металеві термометри опору.

5. Вплив температури на електропровідність напівпровідників.

6. Напівпровідникові термометри опору.

7. Правило Маттісена. Закон Нордгейма.

8. Дротові та плівкові металеві терморезистори.

9. Термістори та позистори

10. Фізична сутність ефекту Зеєбека у металах

11. Фізична сутність ефекту Зеєбека в напівпровідниках.

12. Металеві термопарні термометри.

13. Порівняння терморезистивних та термопарних сенсорів

14. Вплив природи матеріалу на характеристики фотоприймачів ІЧ-випромінювання.

15. Теплові та фотонні ІЧ-приймачі. Означення та порівняння.

16. Випромінювання нагрітого тіла. Основні закони поглинання та випромінювання.

17. Структура теплових перетворювачів.

18. Індикатори температури.

19. Теплові сенсори

20. Особливості фотонних ІЧ-приймачів

21. Особливості теплових ІЧ-приймачів

22. Сегнетоелектрики та їх застосування.

23. Ємнісні сенсори температури на основі сегнетоелектриків

24. Фізична суть піроелектричного ефекту та його застосування.

25. Піроелектричні датчики температури.

26. Термодіоди та термотранзистори

Перелік питань, з яких формуються білети для контрольної роботи №2:

27. Створення та реєстрація пружних коливань. Звук та звукові хвилі.

28. Схема акустичного вимірювального тракту

29. Види електроакустичних перетворювачів

30. Прямий та зворотній п’єзоефекти

31. Вимоги до матеріалів для спостереження п’єзоефекту. П’єзоматеріали.

32. Застосування акустичних досліджень в медицині

33. Ультразвукова діагностика

34. Механічні напруження та методи їх реєстрації.

35. Тензометрія та області її застосування.

36. Тензорезистивний ефект в металах та сплавах

37. Конструктивні різновиди тензорезисторів

38. Тензорезистивний ефект в напівпровідниках та напівпровідникових приладах

39. Газоаналізатори та гігрометри. Основні поняття, класифікація та області застосування.

40. Механізми сорбції газів на поверхні твердого тіла.

41. Різновиди сорбційних процесів. Адсорбція та абсорбція. Фізична та хімічна адсорбція.

42. Гравіметричний метод визначення сорбції газу.

43. Резистивні та ємнісні сенсори вологи.

44. Вплив сорбції газів на електрофізичні властивості напівпровідників.

45. Хемосорбція газу на напівпровіднику р-типу.

46. Хемосорбція газу на напівпровіднику n-типу.

47. Адсорбційні центри на поверхні твердого тіла.

48. Напівпровідникові газоаналізатори.

49. Резистивні сенсори газу.

50. Сенсори газу на основі МДН-структур, бар’єру Шотткі та гетеропереходів

51. Оптичні методи визначення складу газу

52. Теплові методи визначення складу газу

53. Калориметричні методи визначення складу газу

54. Каталітичні сенсори газу

55. Рефрактометричний метод аналізу газу.

Система оцінювання

Вимоги до РСО та методика її складання надані у Положенні про рейтингову систему оцінювання результатів навчання студентів / Уклад.: В. П. Головенкін. – К.: НТУУ «КПІ», 2012. – 36 с.

Система рейтингової оцінки за видами занять:

№

з/п

Заняття, що підлягають

рейтинговій оцінці

Загальна кількість

завдань

Максимальний бал за

1 завдання

Кількість балів на ”відмінно”

Лекції:

відвідування

конспектування

Лабораторні роботи:

своєчасне виконання

захист

Модульні контрольні роботи

Індивідуальне завдання: своєчасне виконання та захист

Семестрові бали

100

Семестрова атестація студентів

Обов’язкова умова допуску заліку		Критерій
1	Поточний рейтинг. Виконання РГР.	RD ≥ 20
2	Написання модульної контрольної роботи	RD ≥ 60
	Всього	RD ≥ 80

Додаткові умови допуску до екзамена:

(окрім обов’язкових умов можна вказати додаткові та/або необов’язкові умови допуску до екзамену/заліку).

Немає.

Календарний рубіжний контроль

Проміжна атестація студентів (далі – атестація) є календарним рубіжним контролем. Метою проведення атестації є підвищення якості навчання студентів та моніторинг виконання графіка освітнього процесу студентами 3.

Критерій			Перша атестація	Друга атестація
Термін атестації 4			8-ий тиждень	14-ий тиждень
Умови отримання атестації	Поточний рейтинг 5		≥ 13 балів	≥ 30 балів
Умови отримання атестації	Виконання практичних робіт	Практична робота	+	+

Таблиця відповідності рейтингових балів оцінкам за університетською шкалою

Кількість балів	Оцінка
100-95	Відмінно
94-85	Дуже добре
84-75	Добре
74-65	Задовільно
64-60	Достатньо
Менше 60	Незадовільно
Не виконані умови допуску	Не допущено

9. Додаткова інформація з дисципліни (освітнього компонента)

Академічна доброчесність

Політика та принципи академічної доброчесності визначені у розділі 3 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code.

Норми етичної поведінки

Норми етичної поведінки студентів і працівників визначені у розділі 2 Кодексу честі Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». Детальніше: https://kpi.ua/code.

Процедура оскарження результатів контрольних заходів

Студенти мають можливість підняти будь-яке питання, яке стосується процедури контрольних заходів та очікувати, що воно буде розглянуто згідно із наперед

визначеними процедурами. Студенти мають право оскаржити результати контрольних заходів, але обов’язково аргументовано, пояснивши з яким критерієм не погоджуються відповідно до оціночного листа та/або зауважень.

Дистанційне навчання (необов’язковий пункт)

Дистанційне навчання через проходження онлайн-курсів за певною тематикою

допускається за умови погодження зі студентами. У разі, якщо невелика кількість студентів має бажання пройти онлайн-курс за певною тематикою, вивчення матеріалу за допомогою таких курсів допускається, але студенти повинні виконати всі завдання, які передбачені у навчальній дисципліні. Може здійснюватися виставлення оцінки за контрольні заходи шляхом перенесення результатів проходження онлайн-курсів. Можливе здійснення контрольних заходів і атестації дистанційно в онлайн режимі, за умови персональної ідентифікації студентів.

Навчання іноземною мовою (необов’язковий пункт)

Використання іноземної літератури, вивчення навчального матеріалу, термінів, стандартів, документів тощо на іноземних мовах можливе при вивченні новітніх технологій , а також відео і *.ppt демонстраціях у тих випадках, коли відсутні вітчизняні інформаційні джерела.

Англомовним групам іноземних студентів можливе викладання дисципліни англійською мовою.

можливе зарахування сертифікатів проходження дистанційних чи онлайн курсів за відповідною тематикою;
інша інформація для студентів щодо особливостей опанування навчальної дисципліни.

Професор кафедри мікроелектроніки Орлов А.Т. був координатором проекту Європейського Союзу ТЕМПУС – (2013-2017) «Біомедична інженерна освітня ініціатива Темпус в регіоні Східного Партнерства», № договору - 543904-TEMPUS-1-2013-1-GR-TEMPUS-JPGR в результаті виконання якого впроваджена магістерська спеціальність 153 «Біомедична інженерія» на факультеті біомедичної інженерії КПІ ім. Ігоря Сікорського. Член Організаційних комітетів Міжнародних конференцій IEEE «ELNANO (Електроніка та нанотехнології)» та IFMBE (International Conference Health Technology Management) (Молдова).

Опис матеріально-технічного та інформаційного забезпечення дисципліни

Робочу програму навчальної дисципліни (силабус):
Складено Орлов А. Т.;
Ухвалено кафедрою МЕ (протокол № 1 від 31.08.2023р. )
Погоджено методичною комісією факультету/ННІ (протокол № 9 від 26.06.2024 )