時(shí)間：2023-03-22 17:42:26
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關(guān)鍵詞微電子技術(shù)集成系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)DNA芯片
1引言
綜觀人類社會(huì)發(fā)展的文明史，一切生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學(xué)技術(shù)作為革命的力量，推動(dòng)著人類社會(huì)向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術(shù)成為整個(gè)信息社會(huì)的基礎(chǔ)和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會(huì)的重要資源，但對(duì)它的利用卻僅僅是開始。當(dāng)前面臨的信息革命以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化作為特征。數(shù)字化大大改善了人們對(duì)信息的利用，更好地滿足了人們對(duì)信息的需求；而網(wǎng)絡(luò)化則使人們更為方便地交換信息，使整個(gè)地球成為一個(gè)“地球村”。以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息技術(shù)同一般技術(shù)不同，它具有極強(qiáng)的滲透性和基礎(chǔ)性，它可以滲透和改造各種產(chǎn)業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟(jì)形態(tài)和社會(huì)、政治、文化等各個(gè)領(lǐng)域。而它的基礎(chǔ)之一就是微電子技術(shù)?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有微電子技術(shù)的進(jìn)步，就不可能有今天信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微電子已經(jīng)成為整個(gè)信息社會(huì)發(fā)展的基石。
50多年來微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實(shí)際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個(gè)孤立的精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，而是一系列固體物理、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)等取得重大突破后的必然結(jié)果。1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。同時(shí)，每一項(xiàng)重大發(fā)明又都開拓出一個(gè)新的領(lǐng)域，帶來了新的巨大市場，對(duì)我們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了重大的影響。也正是由于微電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)超過了與鋼鐵有關(guān)的學(xué)術(shù)論文，所以有人認(rèn)為，1968年以后人類進(jìn)入了繼石器、青銅器、鐵器時(shí)代之后硅石時(shí)代（siliconage）〖1〗。因此可以說社會(huì)發(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會(huì)就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的改革動(dòng)力往往會(huì)給社會(huì)帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過這種破壞后，又將開始一個(gè)新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會(huì)就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
在微電子技術(shù)發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術(shù)的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認(rèn)為：目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)很關(guān)鍵的時(shí)期，21世紀(jì)上半葉，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域主要有以下四個(gè)方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，SOC）為發(fā)展重點(diǎn)；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)；與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點(diǎn)，如MEMS，DNAChip等。
221世紀(jì)上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝
微電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價(jià)格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉。以MOS技術(shù)為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時(shí)縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數(shù)目的晶體管，將結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價(jià)格大幅度下降。由于片內(nèi)信號(hào)的延遲總小于芯片間的信號(hào)延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個(gè)集成系統(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成電路發(fā)明以來，為了提高電子系統(tǒng)的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時(shí)硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonE．Moore1965年預(yù)言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預(yù)測這種發(fā)展趨勢將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來發(fā)展的狀況證實(shí)了Moore的預(yù)言[2]。而且根據(jù)我們的預(yù)測，微電子技術(shù)的這種發(fā)展趨勢還將在21世紀(jì)繼續(xù)一段時(shí)期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無法與之比擬的。
現(xiàn)在，0．18微米CMOS工藝技術(shù)已成為微電子產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實(shí)驗(yàn)室中制備成功，研究工作已進(jìn)入亞0．1微米技術(shù)階段，相應(yīng)的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預(yù)計(jì)到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64GDRAM產(chǎn)品將投入批量生產(chǎn)。
21世紀(jì)，起碼是21世紀(jì)上半葉,微電子生產(chǎn)技術(shù)仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)為主流。盡管微電子學(xué)在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進(jìn)展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，一種新技術(shù)從誕生到成為主流技術(shù)一般需要20到30年的時(shí)間，硅集成電路技術(shù)自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了20多年的時(shí)間。另外，全世界數(shù)以萬億美元計(jì)的設(shè)備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成非常強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力；同時(shí)，長期的科研投入已使人們對(duì)硅及其衍生物各種屬性的了解達(dá)到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識(shí)積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識(shí)積累決定了硅基工藝起碼將在50年內(nèi)仍起重要作用，人們不會(huì)輕易放棄。
目前很多人認(rèn)為當(dāng)微電子技術(shù)的特征尺寸在2015年達(dá)到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術(shù)時(shí)代的結(jié)束，這實(shí)際上是一種誤解。且不說微電子技術(shù)除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術(shù)之外，還有設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面需要進(jìn)一步的大力發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展必將使微電子產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長。即使是加工工藝技術(shù)，很多著名的微電子學(xué)家也預(yù)測，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽工業(yè)領(lǐng)域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢，就像汽車、航空工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?/p>
隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會(huì)遇到器件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝、集成技術(shù)以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對(duì)其中的物理規(guī)律等科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經(jīng)典或半經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，這些理論適合于描述微米量級(jí)的微電子器件，但對(duì)空間尺度為納米量級(jí)、空間尺度為飛秒量級(jí)的系統(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質(zhì)材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統(tǒng)材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時(shí)傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結(jié)構(gòu)和微細(xì)加工、互連、集成等關(guān)鍵工藝技術(shù)。具體的需要?jiǎng)?chuàng)新和重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域包括：基于介觀和量子物理基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件的輸運(yùn)理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結(jié)構(gòu)，高k柵介質(zhì)材料和新型柵結(jié)構(gòu)，電子束步進(jìn)光刻、13nmEUV光刻、超細(xì)線條刻蝕，SOI、GeSi／Si等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質(zhì)和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術(shù)等。
3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)將帶來嶄新的領(lǐng)域
在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)，可稱之為“scalingdown”，與此同時(shí)我們必須注意“bottomup”?！癰ottomup”最重要的領(lǐng)域有二個(gè)方面：
(1)量子電子器件（QED—QuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲(chǔ)器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機(jī)理控制一個(gè)或幾個(gè)電子運(yùn)動(dòng)，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個(gè)電子進(jìn)入到一個(gè)勢阱，則將阻止其它電子的進(jìn)入。在單電子存儲(chǔ)器中量子阱替代了通常存儲(chǔ)器中的浮柵。它的主要優(yōu)點(diǎn)是集成度高；由于只有一個(gè)或幾個(gè)電子活動(dòng)所以功耗極低；由于相對(duì)小的電容和電阻以及短的隧道穿透時(shí)間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對(duì)環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時(shí)要求電容極?。é罠），要求量子點(diǎn)大小在幾個(gè)納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
因此，目前可以認(rèn)為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。
(2)以原子分子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)。這里包括量子點(diǎn)陣列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件等。
量子點(diǎn)陣列由量子點(diǎn)組成，至少由四個(gè)量子點(diǎn),它們之間以靜電力作用。根據(jù)電子占據(jù)量子點(diǎn)的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質(zhì)上是一種非晶體管和無線的方式達(dá)到陣列的高密度、低功耗和實(shí)現(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢是開關(guān)速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對(duì)值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個(gè)有前景的領(lǐng)域。碳原子之間的鍵合力很強(qiáng)，可支持高密度電流，而熱導(dǎo)性能類似于金剛石，能在高集成度時(shí)大大減小熱耗散，性質(zhì)類金屬和半導(dǎo)體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個(gè)。這些都使碳納米管（CNT）成為當(dāng)前科研熱點(diǎn)，從1991年發(fā)現(xiàn)以來，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，北京大學(xué)納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的CNT并提出“T形結(jié)”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設(shè)計(jì)性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結(jié)合以制造器件。這對(duì)于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會(huì)帶來突破性的進(jìn)展。
QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術(shù)上都有大量工作要做，有待突破，離開實(shí)際應(yīng)用還需較長時(shí)日！但這終究是一個(gè)誘人探索的領(lǐng)域，我們期待它們將創(chuàng)出一個(gè)新的天地。
4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀(jì)微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)
在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設(shè)計(jì)都從器件的物理版圖設(shè)計(jì)入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫（Cell－Lib），使得集成電路設(shè)計(jì)從器件級(jí)進(jìn)入邏輯級(jí)，這樣的設(shè)計(jì)思路使大批電路和邏輯設(shè)計(jì)師可以直接參與集成電路設(shè)計(jì)，極大地推動(dòng)了IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機(jī)系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時(shí)、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機(jī)系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、移動(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求。同時(shí)，由于IC設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個(gè)系統(tǒng)集成為一個(gè)芯片。目前已經(jīng)可以在一個(gè)芯片上集成108－109個(gè)晶體管，而且隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的微電子技術(shù)將從目前的3G時(shí)代逐步發(fā)展到3T時(shí)代（即存儲(chǔ)容量由G位發(fā)展到T位、集成電路器件的速度由GHz發(fā)展到燈THz、數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)）。
正是在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。
系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場革命，它和集成電路的關(guān)系與當(dāng)時(shí)集成電路與分立元器件的關(guān)系類似，它對(duì)微電子技術(shù)的推動(dòng)作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術(shù)。
SOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，在單個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，它的設(shè)計(jì)必須是從系統(tǒng)行為級(jí)開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設(shè)計(jì)能夠綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)的芯片相比,采用SOC設(shè)計(jì)方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目約可以降低l～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
對(duì)于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個(gè)關(guān)鍵的支持技術(shù)。
（1）軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。
（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；和硬核，基于工藝的物理設(shè)計(jì)、與工藝相關(guān)，并經(jīng)過工藝驗(yàn)證過的。其中以硬核使用價(jià)值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎(chǔ)，在速度與功耗上經(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價(jià)值。現(xiàn)在,美國硅谷在80年代出現(xiàn)無生產(chǎn)線（Fabless)公司的基礎(chǔ)上，90年代后期又出現(xiàn)了一些無芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。
（3）模塊界面間的綜合分析技術(shù),這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。
微電子技術(shù)從IC向SOC轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破,同時(shí)也是信息技術(shù)新發(fā)展的里程碑。通過以上三個(gè)支持技術(shù)的創(chuàng)新,它必將導(dǎo)致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術(shù)上的革命。目前，SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。
在新一代系統(tǒng)芯片領(lǐng)域，需要重點(diǎn)突破的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。在微電子技術(shù)的發(fā)展歷史上,每一種算法的提出都會(huì)引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對(duì)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結(jié)構(gòu)可以帶動(dòng)一系列的應(yīng)用,但提出一種新的算法則可以帶動(dòng)一個(gè)新的領(lǐng)域,因此算法應(yīng)是今后系統(tǒng)芯片領(lǐng)域研究的重點(diǎn)學(xué)科之一。在電路結(jié)構(gòu)方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲(chǔ)器件的加入，其中的電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結(jié)構(gòu)，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結(jié)構(gòu)。另外，為了實(shí)現(xiàn)膠聯(lián)邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術(shù)有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
5微電子與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點(diǎn)
微電子技術(shù)的強(qiáng)大生命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊。這種技術(shù)一旦與其它學(xué)科相結(jié)合,便會(huì)誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，這方面的典型例子便是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)和DNA生物芯片。前者是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域結(jié)合而誕生的，后者則是與生物工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅是微電子技術(shù)的拓寬和延伸,它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來，它不僅可以感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號(hào)，把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認(rèn)識(shí)的電信號(hào)，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲(chǔ)器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時(shí)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等?，F(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等。
MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，目前正處在技術(shù)發(fā)展時(shí)期，再過若干年將會(huì)迎來MEMS產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的時(shí)期。2000年，全世界MEMS的市場達(dá)到120到140億美元，而帶來的與之相關(guān)的市場達(dá)到1000億美元。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應(yīng)用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進(jìn)行大量投資，促進(jìn)了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術(shù)的進(jìn)步,加快了計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度，對(duì)CPU和RAM的需求越來越大,反過來又促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。集成電路和計(jì)算機(jī)在發(fā)展中相互推動(dòng)，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命?，F(xiàn)階段的微機(jī)電系統(tǒng)專用性很強(qiáng)，單個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限,還沒有出現(xiàn)類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步，最后將有可能形成像微電子技術(shù)一樣有廣泛應(yīng)用前景的新產(chǎn)業(yè)，從而對(duì)人們的社會(huì)生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。
當(dāng)前MEMS系統(tǒng)能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統(tǒng)理論與基礎(chǔ)技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，使人們依靠掌握的理論和基礎(chǔ)技術(shù)可以高效地設(shè)計(jì)制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準(zhǔn)應(yīng)用突破口，揚(yáng)長避短，以特別適合微系統(tǒng)應(yīng)用的重大領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行研究,取得突破，從而帶動(dòng)微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在MEMS發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問題主要有：MEMS建模與設(shè)計(jì)方法學(xué)研究；三維微結(jié)構(gòu)構(gòu)造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學(xué)和熱學(xué)研究；MEMS的表征與計(jì)量方法學(xué)；納結(jié)構(gòu)與集成技術(shù)等。
微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合誕生的以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微電子加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達(dá)萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通過生物反應(yīng)或施加電場等措施使一些特殊的物質(zhì)能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他們制作的DNA芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學(xué)中最重要的一種物質(zhì)，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛：它不僅可以用于基因?qū)W研究、生物醫(yī)學(xué)等，而且隨著DNA芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術(shù)將廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等人類生活的各個(gè)方面，那時(shí)，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無處不在。
目前的生物芯片主要是指通過平面微細(xì)加工技術(shù)及超分子自組裝技術(shù)，在固體芯片表面構(gòu)建的微分析單元和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞以及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)、基于生物芯片的生物信息學(xué)以及高密度生物芯片的設(shè)計(jì)、檢測方法學(xué)等等。
6結(jié)語
在微電子學(xué)發(fā)展歷程的前50年中，創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究曾起到非常關(guān)鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學(xué)的出現(xiàn)、新一代SOC的發(fā)展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創(chuàng)新成果的誕生。
回顧20世紀(jì)后50年，展望21世紀(jì)前50年，即百年的微電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀(jì)之交的微電子技術(shù)對(duì)我們既是一個(gè)重大的機(jī)遇，也是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個(gè)機(jī)遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個(gè)挑戰(zhàn)，則有可能使我國微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)騰飛，在新一代微電子技術(shù)中擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)我國微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為迎接21世紀(jì)中葉將要到來的偉大的民族復(fù)興奠定技術(shù)基礎(chǔ)，以重鑄中華民族的輝煌！
參考文獻(xiàn)
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[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997
關(guān)鍵詞微電子技術(shù)集成系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)DNA芯片
1引言
綜觀人類社會(huì)發(fā)展的文明史，一切生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學(xué)技術(shù)作為革命的力量，推動(dòng)著人類社會(huì)向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術(shù)成為整個(gè)信息社會(huì)的基礎(chǔ)和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會(huì)的重要資源，但對(duì)它的利用卻僅僅是開始。當(dāng)前面臨的信息革命以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化作為特征。數(shù)字化大大改善了人們對(duì)信息的利用，更好地滿足了人們對(duì)信息的需求；而網(wǎng)絡(luò)化則使人們更為方便地交換信息，使整個(gè)地球成為一個(gè)“地球村”。以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息技術(shù)同一般技術(shù)不同，它具有極強(qiáng)的滲透性和基礎(chǔ)性，它可以滲透和改造各種產(chǎn)業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟(jì)形態(tài)和社會(huì)、政治、文化等各個(gè)領(lǐng)域。而它的基礎(chǔ)之一就是微電子技術(shù)。可以毫不夸張地說，沒有微電子技術(shù)的進(jìn)步，就不可能有今天信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微電子已經(jīng)成為整個(gè)信息社會(huì)發(fā)展的基石。
50多年來微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實(shí)際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個(gè)孤立的精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，而是一系列固體物理、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)等取得重大突破后的必然結(jié)果。1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。同時(shí)，每一項(xiàng)重大發(fā)明又都開拓出一個(gè)新的領(lǐng)域，帶來了新的巨大市場，對(duì)我們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了重大的影響。也正是由于微電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)超過了與鋼鐵有關(guān)的學(xué)術(shù)論文，所以有人認(rèn)為，1968年以后人類進(jìn)入了繼石器、青銅器、鐵器時(shí)代之后硅石時(shí)代（siliconage）〖1〗。因此可以說社會(huì)發(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會(huì)就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的改革動(dòng)力往往會(huì)給社會(huì)帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過這種破壞后，又將開始一個(gè)新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會(huì)就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
在微電子技術(shù)發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術(shù)的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認(rèn)為：目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)很關(guān)鍵的時(shí)期，21世紀(jì)上半葉，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域主要有以下四個(gè)方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，SOC）為發(fā)展重點(diǎn)；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)；與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點(diǎn)，如MEMS，DNAChip等。
221世紀(jì)上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝
微電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價(jià)格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉。以MOS技術(shù)為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時(shí)縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數(shù)目的晶體管，將結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價(jià)格大幅度下降。由于片內(nèi)信號(hào)的延遲總小于芯片間的信號(hào)延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個(gè)集成系統(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成電路發(fā)明以來，為了提高電子系統(tǒng)的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時(shí)硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonE．Moore1965年預(yù)言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預(yù)測這種發(fā)展趨勢將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來發(fā)展的狀況證實(shí)了Moore的預(yù)言[2]。而且根據(jù)我們的預(yù)測，微電子技術(shù)的這種發(fā)展趨勢還將在21世紀(jì)繼續(xù)一段時(shí)期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無法與之比擬的。
現(xiàn)在，0．18微米CMOS工藝技術(shù)已成為微電子產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實(shí)驗(yàn)室中制備成功，研究工作已進(jìn)入亞0．1微米技術(shù)階段，相應(yīng)的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預(yù)計(jì)到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64GDRAM產(chǎn)品將投入批量生產(chǎn)。
21世紀(jì)，起碼是21世紀(jì)上半葉,微電子生產(chǎn)技術(shù)仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)為主流。盡管微電子學(xué)在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進(jìn)展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，一種新技術(shù)從誕生到成為主流技術(shù)一般需要20到30年的時(shí)間，硅集成電路技術(shù)自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了20多年的時(shí)間。另外，全世界數(shù)以萬億美元計(jì)的設(shè)備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成非常強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力；同時(shí)，長期的科研投入已使人們對(duì)硅及其衍生物各種屬性的了解達(dá)到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識(shí)積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識(shí)積累決定了硅基工藝起碼將在50年內(nèi)仍起重要作用，人們不會(huì)輕易放棄。
目前很多人認(rèn)為當(dāng)微電子技術(shù)的特征尺寸在2015年達(dá)到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術(shù)時(shí)代的結(jié)束，這實(shí)際上是一種誤解。且不說微電子技術(shù)除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術(shù)之外，還有設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面需要進(jìn)一步的大力發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展必將使微電子產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長。即使是加工工藝技術(shù)，很多著名的微電子學(xué)家也預(yù)測，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽工業(yè)領(lǐng)域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢，就像汽車、航空工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?/p>
隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會(huì)遇到器件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝、集成技術(shù)以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對(duì)其中的物理規(guī)律等科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經(jīng)典或半經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，這些理論適合于描述微米量級(jí)的微電子器件，但對(duì)空間尺度為納米量級(jí)、空間尺度為飛秒量級(jí)的系統(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質(zhì)材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統(tǒng)材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時(shí)傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結(jié)構(gòu)和微細(xì)加工、互連、集成等關(guān)鍵工藝技術(shù)。具體的需要?jiǎng)?chuàng)新和重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域包括：基于介觀和量子物理基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件的輸運(yùn)理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結(jié)構(gòu)，高k柵介質(zhì)材料和新型柵結(jié)構(gòu)，電子束步進(jìn)光刻、13nmEUV光刻、超細(xì)線條刻蝕，SOI、GeSi／Si等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質(zhì)和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術(shù)等。
3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)將帶來嶄新的領(lǐng)域
在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)，可稱之為“scalingdown”，與此同時(shí)我們必須注意“bottomup”。“bottomup”最重要的領(lǐng)域有二個(gè)方面：
(1)量子電子器件（QED—QuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲(chǔ)器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機(jī)理控制一個(gè)或幾個(gè)電子運(yùn)動(dòng)，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個(gè)電子進(jìn)入到一個(gè)勢阱，則將阻止其它電子的進(jìn)入。在單電子存儲(chǔ)器中量子阱替代了通常存儲(chǔ)器中的浮柵。它的主要優(yōu)點(diǎn)是集成度高；由于只有一個(gè)或幾個(gè)電子活動(dòng)所以功耗極低；由于相對(duì)小的電容和電阻以及短的隧道穿透時(shí)間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對(duì)環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時(shí)要求電容極?。é罠），要求量子點(diǎn)大小在幾個(gè)納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
因此，目前可以認(rèn)為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。
(2)以原子分子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)。這里包括量子點(diǎn)陣列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件等。
量子點(diǎn)陣列由量子點(diǎn)組成，至少由四個(gè)量子點(diǎn),它們之間以靜電力作用。根據(jù)電子占據(jù)量子點(diǎn)的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質(zhì)上是一種非晶體管和無線的方式達(dá)到陣列的高密度、低功耗和實(shí)現(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢是開關(guān)速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對(duì)值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個(gè)有前景的領(lǐng)域。碳原子之間的鍵合力很強(qiáng)，可支持高密度電流，而熱導(dǎo)性能類似于金剛石，能在高集成度時(shí)大大減小熱耗散，性質(zhì)類金屬和半導(dǎo)體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個(gè)。這些都使碳納米管（CNT）成為當(dāng)前科研熱點(diǎn)，從1991年發(fā)現(xiàn)以來，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，北京大學(xué)納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的CNT并提出“T形結(jié)”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設(shè)計(jì)性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結(jié)合以制造器件。這對(duì)于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會(huì)帶來突破性的進(jìn)展。
QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術(shù)上都有大量工作要做，有待突破，離開實(shí)際應(yīng)用還需較長時(shí)日！但這終究是一個(gè)誘人探索的領(lǐng)域，我們期待它們將創(chuàng)出一個(gè)新的天地。
4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀(jì)微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)
在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設(shè)計(jì)都從器件的物理版圖設(shè)計(jì)入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫（Cell－Lib），使得集成電路設(shè)計(jì)從器件級(jí)進(jìn)入邏輯級(jí)，這樣的設(shè)計(jì)思路使大批電路和邏輯設(shè)計(jì)師可以直接參與集成電路設(shè)計(jì)，極大地推動(dòng)了IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機(jī)系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時(shí)、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機(jī)系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、移動(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求。同時(shí)，由于IC設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個(gè)系統(tǒng)集成為一個(gè)芯片。目前已經(jīng)可以在一個(gè)芯片上集成108－109個(gè)晶體管，而且隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的微電子技術(shù)將從目前的3G時(shí)代逐步發(fā)展到3T時(shí)代（即存儲(chǔ)容量由G位發(fā)展到T位、集成電路器件的速度由GHz發(fā)展到燈THz、數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)）。
正是在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。
系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場革命，它和集成電路的關(guān)系與當(dāng)時(shí)集成電路與分立元器件的關(guān)系類似，它對(duì)微電子技術(shù)的推動(dòng)作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術(shù)。
SOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，在單個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，它的設(shè)計(jì)必須是從系統(tǒng)行為級(jí)開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設(shè)計(jì)能夠綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)的芯片相比,采用SOC設(shè)計(jì)方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目約可以降低l～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
對(duì)于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個(gè)關(guān)鍵的支持技術(shù)。
（1）軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。
（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；和硬核，基于工藝的物理設(shè)計(jì)、與工藝相關(guān)，并經(jīng)過工藝驗(yàn)證過的。其中以硬核使用價(jià)值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎(chǔ)，在速度與功耗上經(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價(jià)值?，F(xiàn)在,美國硅谷在80年代出現(xiàn)無生產(chǎn)線（Fabless)公司的基礎(chǔ)上，90年代后期又出現(xiàn)了一些無芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。
（3）模塊界面間的綜合分析技術(shù),這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。
微電子技術(shù)從IC向SOC轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破,同時(shí)也是信息技術(shù)新發(fā)展的里程碑。通過以上三個(gè)支持技術(shù)的創(chuàng)新,它必將導(dǎo)致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術(shù)上的革命。目前，SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。
在新一代系統(tǒng)芯片領(lǐng)域，需要重點(diǎn)突破的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。在微電子技術(shù)的發(fā)展歷史上,每一種算法的提出都會(huì)引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對(duì)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結(jié)構(gòu)可以帶動(dòng)一系列的應(yīng)用,但提出一種新的算法則可以帶動(dòng)一個(gè)新的領(lǐng)域,因此算法應(yīng)是今后系統(tǒng)芯片領(lǐng)域研究的重點(diǎn)學(xué)科之一。在電路結(jié)構(gòu)方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲(chǔ)器件的加入，其中的電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結(jié)構(gòu)，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結(jié)構(gòu)。另外，為了實(shí)現(xiàn)膠聯(lián)邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術(shù)有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
5微電子與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長點(diǎn)
微電子技術(shù)的強(qiáng)大生命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊。這種技術(shù)一旦與其它學(xué)科相結(jié)合,便會(huì)誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，這方面的典型例子便是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)和DNA生物芯片。前者是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域結(jié)合而誕生的，后者則是與生物工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。
微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅是微電子技術(shù)的拓寬和延伸,它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來，它不僅可以感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號(hào)，把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認(rèn)識(shí)的電信號(hào)，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲(chǔ)器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時(shí)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等?，F(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等。
MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，目前正處在技術(shù)發(fā)展時(shí)期，再過若干年將會(huì)迎來MEMS產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的時(shí)期。2000年，全世界MEMS的市場達(dá)到120到140億美元，而帶來的與之相關(guān)的市場達(dá)到1000億美元。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應(yīng)用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進(jìn)行大量投資，促進(jìn)了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術(shù)的進(jìn)步,加快了計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度，對(duì)CPU和RAM的需求越來越大,反過來又促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。集成電路和計(jì)算機(jī)在發(fā)展中相互推動(dòng)，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命?，F(xiàn)階段的微機(jī)電系統(tǒng)專用性很強(qiáng)，單個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限,還沒有出現(xiàn)類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步，最后將有可能形成像微電子技術(shù)一樣有廣泛應(yīng)用前景的新產(chǎn)業(yè)，從而對(duì)人們的社會(huì)生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。
當(dāng)前MEMS系統(tǒng)能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統(tǒng)理論與基礎(chǔ)技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，使人們依靠掌握的理論和基礎(chǔ)技術(shù)可以高效地設(shè)計(jì)制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準(zhǔn)應(yīng)用突破口，揚(yáng)長避短，以特別適合微系統(tǒng)應(yīng)用的重大領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行研究,取得突破，從而帶動(dòng)微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在MEMS發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問題主要有：MEMS建模與設(shè)計(jì)方法學(xué)研究；三維微結(jié)構(gòu)構(gòu)造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學(xué)和熱學(xué)研究；MEMS的表征與計(jì)量方法學(xué)；納結(jié)構(gòu)與集成技術(shù)等。
微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合誕生的以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微電子加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達(dá)萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)檢測或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通過生物反應(yīng)或施加電場等措施使一些特殊的物質(zhì)能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他們制作的DNA芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學(xué)中最重要的一種物質(zhì)，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛：它不僅可以用于基因?qū)W研究、生物醫(yī)學(xué)等，而且隨著DNA芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術(shù)將廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等人類生活的各個(gè)方面，那時(shí)，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無處不在。
目前的生物芯片主要是指通過平面微細(xì)加工技術(shù)及超分子自組裝技術(shù)，在固體芯片表面構(gòu)建的微分析單元和系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物、蛋白質(zhì)、核酸、細(xì)胞以及其它生物組分的準(zhǔn)確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)、基于生物芯片的生物信息學(xué)以及高密度生物芯片的設(shè)計(jì)、檢測方法學(xué)等等。
6結(jié)語
在微電子學(xué)發(fā)展歷程的前50年中，創(chuàng)新和基礎(chǔ)研究曾起到非常關(guān)鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學(xué)的出現(xiàn)、新一代SOC的發(fā)展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創(chuàng)新成果的誕生。
回顧20世紀(jì)后50年，展望21世紀(jì)前50年，即百年的微電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀(jì)之交的微電子技術(shù)對(duì)我們既是一個(gè)重大的機(jī)遇，也是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個(gè)機(jī)遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個(gè)挑戰(zhàn)，則有可能使我國微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)騰飛，在新一代微電子技術(shù)中擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，促進(jìn)我國微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為迎接21世紀(jì)中葉將要到來的偉大的民族復(fù)興奠定技術(shù)基礎(chǔ)，以重鑄中華民族的輝煌！
參考文獻(xiàn)
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1.1ARM處理部分
針對(duì)ARM內(nèi)核的高速可順序執(zhí)行特性，更適合處理復(fù)雜協(xié)議信息。ARM處理部分在設(shè)計(jì)中主要負(fù)責(zé)協(xié)議層處理工作，包括通信信息、人機(jī)交互設(shè)定、系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)測、報(bào)警數(shù)據(jù)設(shè)定、監(jiān)測以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理等多方面的工作，整體采用搶占式進(jìn)行多任務(wù)分配，提高CPU利用率以及系統(tǒng)魯棒性。
1.2FPGA控制部分
總體來看，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)的讀寫，作為ARM的一個(gè)外部擴(kuò)展RAM進(jìn)行外設(shè)數(shù)據(jù)交換，所有FPGA采集、輸出的數(shù)據(jù)均可通過ARM的可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器(FlexibleStaticMemoryController，F(xiàn)SMC)總線讀寫。在設(shè)計(jì)中運(yùn)用FPGA獨(dú)特的可多任務(wù)并行執(zhí)行的特性，F(xiàn)PGA控制部分主要負(fù)責(zé)外部通信模式的選擇；外部模擬信號(hào)的采集、輸出溫度的控制、時(shí)鐘同步、時(shí)鐘移相、數(shù)碼管計(jì)數(shù)顯示等多項(xiàng)功能的處理。在外部模擬量、氫原子鐘內(nèi)爐溫度采集部分，由FPGA內(nèi)部硬件采用狀態(tài)機(jī)形式通過兩片AD7490D對(duì)外部32路模擬量采集，并直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制處理；另一個(gè)狀態(tài)機(jī)通過熱敏電阻對(duì)內(nèi)爐頂，上，底等三部分溫度進(jìn)行采集；在溫度輸出控制部分，通過三路PWM控制方式，以外部溫控器作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)節(jié)加熱功率。在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由專用基準(zhǔn)電壓芯片REF192產(chǎn)生參考電壓，溫度轉(zhuǎn)換經(jīng)過帶有前置運(yùn)算放大器（Operationalamplifier，OP）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，并同時(shí)具有抑制50Hz抑制功能，以抵消測量中所產(chǎn)生的工頻干擾。在通信電路的設(shè)計(jì)部分由FPGA來選擇所采用的通信方式，其中串口通信采用隔離式電平變換芯片，避免電平不兼容或是不同設(shè)備間的靜電釋放（Electro-Staticdischarge，ESD）所帶來的放電損壞；以太網(wǎng)部分采用專用以太網(wǎng)接口模塊，可同時(shí)兼容TCP/IPv4、用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）等。
1.串口通信接口的電路設(shè)計(jì)
原本的串口通信設(shè)計(jì)為了滿足兩路串口通信的技術(shù)指標(biāo)，采用AT89C52結(jié)合通用同步異步接收發(fā)送器8251A實(shí)現(xiàn)雙串口的擴(kuò)展。本文采用ADM3251E[3]來解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發(fā)器、具有isoPower隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器，設(shè)計(jì)中無需使用單獨(dú)的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護(hù)，因此該器件非常適合在惡劣的電氣環(huán)境中工作，或頻繁插拔RS-232電纜的場合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級(jí)變壓器iCoupler技術(shù)，能夠同時(shí)用于隔離邏輯信號(hào)和集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此該器件可提供整體隔離解決方案。
2.ADC模擬量采樣電路設(shè)計(jì)改進(jìn)
原本的ADC采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含有一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器和16路的單端模擬信號(hào)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換精度為1/2LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us（時(shí)鐘頻率為640KHz）。改進(jìn)設(shè)計(jì)中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同時(shí)AD7490采用單電源工作，電源電壓為2.7V至5.25V，最高吞吐量可達(dá)1MSPS；其內(nèi)置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器，可處理1MHz以上的輸入頻率；轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時(shí)鐘進(jìn)行控制，從而為器件與微處理器接口創(chuàng)造了條件。
3.溫度控制部分的設(shè)計(jì)改進(jìn)
溫度對(duì)于氫原子鐘來說是個(gè)很重要的因素，溫度控制不好會(huì)引起氫原子鐘穩(wěn)定度變差；溫度失控會(huì)直接導(dǎo)致氫原子鐘沒有中頻信號(hào)輸出。因此在溫度控制的設(shè)計(jì)中首先要做到可靠、穩(wěn)定。原先的溫度控制系統(tǒng)采用模擬控制多塊電路板各溫度區(qū)域獨(dú)立控制模式，其缺點(diǎn)是變?nèi)荻O管參數(shù)數(shù)值不在正常工作范圍內(nèi)之后，需要人為調(diào)整電路板的電位器，即通過人為改變電阻的模式來達(dá)到調(diào)整溫度的目的。在數(shù)字化智能溫控設(shè)計(jì)中采用AD7792[4]，AD7792具有兩個(gè)高精度的可編程恒流激勵(lì)源，內(nèi)置有可編程的儀表放大器，可以對(duì)不同的輸入信號(hào)選擇相對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配。它內(nèi)置16位ADC，采用SPI串行接口，容易實(shí)現(xiàn)光耦隔離，有三路差分模擬輸入，可以滿足設(shè)計(jì)中分別對(duì)內(nèi)爐頂，上，底三部分溫度進(jìn)行采集的設(shè)計(jì)要求。AD7792為適應(yīng)高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個(gè)低噪聲、帶有三個(gè)差分模擬輸入的16位Σ-Δ型ADC。它還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號(hào)；內(nèi)置一個(gè)精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個(gè)外部差分基準(zhǔn)電壓。圖2中所示CHAN表示溫度區(qū)域，其中CH1代表內(nèi)爐頂，CH2代表內(nèi)爐上，CH3代表內(nèi)爐底；ACTU代表采樣溫度數(shù)值，SET代表設(shè)定溫度數(shù)值，OUT代表了輸出功率的大小。
4.移相同步精度設(shè)計(jì)改進(jìn)
傳統(tǒng)控制板同步精度為100ns±邏輯門延時(shí)（約幾個(gè)ns），移相分辨率為0.1us。經(jīng)過設(shè)計(jì)改進(jìn)后，采用獨(dú)特的先倍頻后同步技術(shù)，可大大提高移相同步分辨率。在本次應(yīng)用中，先對(duì)外部輸入的10MHz方波信號(hào)，經(jīng)過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）的配置進(jìn)行零度移相五倍頻，得到和輸入信號(hào)零相位差的50MHz信號(hào)。上一幅為10MHz信號(hào)波形，下一幅為倍頻后的50MHz方波信號(hào)波形。
5.DDS電路設(shè)計(jì)部分
之前控制板在綜合器設(shè)計(jì)輸出時(shí)，采用AT89C52驅(qū)動(dòng)三片74LS595串入并出輸出6位8421碼共24位數(shù)據(jù)信息經(jīng)25芯彎角插座（DR-25）將數(shù)據(jù)傳輸至接收機(jī)控制板，再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號(hào)。而目前設(shè)計(jì)中選取AD9956[5]，使用直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技術(shù)直接從監(jiān)控板輸出所需的頻率信號(hào)，AD9956是由美國AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高達(dá)400MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，可合成頻率高達(dá)160MHz，支持2.7GHz的時(shí)鐘輸入(可選2，4或8分頻)、內(nèi)部集成14位的D／A轉(zhuǎn)換器，具備快速頻率轉(zhuǎn)換、精細(xì)頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能，適用于快速跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)DDS輸出頻率信號(hào)可以根據(jù)鍵盤鍵入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。
6.存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)改進(jìn)
氫原子鐘必需具有對(duì)時(shí)間以及對(duì)所監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存的功能。然而外部存儲(chǔ)器的選擇也是多種多樣的，目前應(yīng)用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM這三種方案。我們目前使用的存儲(chǔ)器就是采用SRAM加后備電池的模式，型號(hào)62256，它是組織結(jié)構(gòu)為32K*8位字長的高性能CMOS靜態(tài)RAM。在設(shè)備掉電的情況下，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)易丟失。同時(shí)SRAM加后備電池的方法增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性；EEPROM方式可擦寫次數(shù)較少(約10萬次)，且寫操作時(shí)間較長(約10ms)；而NVRAM的價(jià)格問題又限制了它的普遍應(yīng)用。因此越來越多的設(shè)計(jì)者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲(chǔ)器(FRAM)。鐵電存儲(chǔ)器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時(shí)等待；有近乎無限次擦寫壽命；數(shù)據(jù)保持45年不丟失；具有較低的功耗。設(shè)計(jì)中采用的FM25L16是串行FRAM。其內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為2k×8位，地址范圍為0000H~07FFH，F(xiàn)M25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進(jìn)的寫保護(hù)設(shè)計(jì)，包括硬件保護(hù)和軟件保護(hù)雙重保護(hù)功能。FM25L16的數(shù)據(jù)讀寫速度能達(dá)到18MHz，可與當(dāng)前高速的RAM相媲美。結(jié)束語從設(shè)計(jì)的測試結(jié)果來看，全新的設(shè)計(jì)模式對(duì)電路的性能，可靠性，穩(wěn)定性等多方面都有很大的提高，具體表現(xiàn)如下所示：
（1）設(shè)計(jì)中采用AD7490替代ADC0816，從而使得ADC精度提高8bit升級(jí)到12bit，精度提高了16倍，并且無需經(jīng)過外接模擬開關(guān)，減少了信號(hào)經(jīng)過多個(gè)模擬芯片引起誤差。
（2）溫度控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)模式，提高測量精度，降低干擾，可避免處理運(yùn)放電路所造成的對(duì)溫度飄移的影響以及多級(jí)模擬帶來的累計(jì)誤差，最重要的一點(diǎn)就是不用再人為的通過改變電阻模式來達(dá)到調(diào)整溫度的目的。
（3）綜合器設(shè)計(jì)部分采用DDS處理技術(shù)，直接從監(jiān)控板輸出所需頻率信號(hào)，從而大大減少設(shè)計(jì)中潛在的故障點(diǎn)，大大提高了設(shè)計(jì)的可靠性，穩(wěn)定性。
光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)［1］。它主要利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、儲(chǔ)存、控制、計(jì)算和顯示［2］。光電檢測技術(shù)從原理上講可以檢測一切能夠影響光量和光特性的非電量。它可通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電探測器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理，以達(dá)到電信號(hào)輸出的目的［3］。然后采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)等方法分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，以便于進(jìn)行相應(yīng)的電路改進(jìn)，更好地研究被噪聲淹沒的微弱有用信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而了解非電量的狀態(tài)。微弱信號(hào)檢測的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，同時(shí)提高檢測系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。
1光電檢測電路的基本構(gòu)成
光電探測器所接收到的信號(hào)一般都非常微弱，而且光探測器輸出的信號(hào)往往被深埋在噪聲之中，因此，要對(duì)這樣的微弱信號(hào)進(jìn)行處理，一般都要先進(jìn)行預(yù)處理，以將大部分噪聲濾除掉，并將微弱信號(hào)放大到后續(xù)處理器所要求的電壓幅度。這樣，就需要通過前置放大電路、濾波電路和主放大電路來輸出幅度合適、并已濾除掉大部分噪聲的待檢測信號(hào)。其光電檢測模塊的組成框圖如圖1所示。
2光電二極管的工作模式與等效模型
2．1光電二極管的工作模式
光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖2所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時(shí)，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時(shí)，光電二極管可實(shí)現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。事實(shí)上，在反偏置條件下，即使無光照，仍有一個(gè)很小的電流(叫做暗電流或無照電流1。而在零偏置時(shí)則沒有暗電流，這時(shí)二極管的噪聲基本上是分路電阻的熱噪聲；在反偏置時(shí)，由于導(dǎo)電產(chǎn)生的散粒噪聲成為附加的噪聲源。因此，在設(shè)計(jì)光電二極管電路的過程中，通常是針對(duì)光伏或光導(dǎo)兩種模式之一進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，而不是對(duì)兩種模式都進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］。
一般來說，在光電精密測量中，被測信號(hào)都比較微弱，因此，暗電流的影響一般都非常明顯。本設(shè)計(jì)由于所討論的待檢測信號(hào)也是十分微弱的信號(hào)，所以，盡量避免噪聲干擾是首要任務(wù)，所以，設(shè)計(jì)時(shí)采用光伏模式。
2．2光電二極管的等效電路模型
工作于光伏方式下的光電二極管的工作模型如圖3所示，它包含一個(gè)被輻射光激發(fā)的電流源、一個(gè)理想的二極管、結(jié)電容和寄生串聯(lián)及并聯(lián)電阻。圖中，IL為二極管的漏電流；ISC為二極管的電流；RPD為寄生電阻；CPD為光電二極管的寄生電容；ePD為噪聲源；Rs為串聯(lián)電阻。
由于工作于該光伏方式下的光電二極管上沒有壓降，故為零偏置。在這種方式中，影響電路性能的關(guān)鍵寄生元件為CPD和RPD，它們將影響光檢測電路的頻率穩(wěn)定性和噪聲性能。CPD是由光電二極管的P型和N型材料間的耗盡層寬度產(chǎn)生的。耗盡層越窄，結(jié)電容的值越大。相反，較寬的耗盡層(如PIN光電二極管)會(huì)表現(xiàn)出較寬的頻譜響應(yīng)。硅二極管結(jié)電容的數(shù)值范圍大約在20或25pF到幾千pF以上。而光電二極管的寄生電阻RPD(也稱作"分流"電阻或"暗"電阻)，則與光電二極管的偏置有關(guān)。
與光伏電壓方式相反，光導(dǎo)方式中的光電二極管則有一個(gè)反向偏置電壓加至光傳感元件的兩端。當(dāng)此電壓加至光檢測器件時(shí)，耗盡層的寬度會(huì)增加，從而大幅度地減小寄生電容CPD的值。寄生電容值的減小有利于高速工作，然而，線性度和失調(diào)誤差尚未最優(yōu)化。這個(gè)問題的折衷設(shè)計(jì)將增加二極管的漏電流IL和線性誤差。
3電路設(shè)計(jì)
3．1主放大器設(shè)計(jì)
眾多需要檢瀏的微弱光信號(hào)通常都是通過各種傳感器來進(jìn)行非電量的轉(zhuǎn)換，從而使檢測對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?電流或電壓)。由于所測對(duì)象本身為微弱量，同時(shí)受各種不同傳感器靈敏度的限制，因而所得到的電量自然是小信號(hào)，一般不能直接用于采樣處理。本設(shè)計(jì)中的光電二極管前置放大電路主要起到電流轉(zhuǎn)電壓的作用，但后續(xù)電路一般為A／D轉(zhuǎn)換電路，所需電壓幅值一般為2V。然而，即使是這樣，而輸出的電壓信號(hào)一般還需要繼續(xù)放大幾百倍，因此還需應(yīng)用主放大電路。其典型放大電路如圖4所示。
該主放大器的放大倍數(shù)為A=l＋R2/R3，其中R2為反饋電阻。為了后續(xù)電路的正常工作，設(shè)計(jì)時(shí)需要設(shè)定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的輸出電壓。即有
3．2濾波器設(shè)計(jì)
為使電路設(shè)計(jì)簡潔并具有良好的信噪比,設(shè)計(jì)時(shí)還需要用帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。為保證測量的精確性，本設(shè)計(jì)在前置放大電路之后加人二階帶通濾波電路，以除去有用信號(hào)頻帶以外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引人的噪聲。這里采用的有源帶通濾波器可選通某一頻段內(nèi)的信號(hào)，而抑制該頻段以外的信號(hào)。該濾波器的幅頻特性如圖5所示。圖5中，f1、f2分別為上下限截止頻率，f0為中心頻率，其頻帶寬度為：
B=f2-f1=f0/Q
式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，則隨著頻率的變化，增益衰減越快。這是因?yàn)橹行念l率一定時(shí)，Q值越大，所通過的頻帶越窄，濾波器的選擇性好。
有源濾波器是一種含有半導(dǎo)體三極管、集成運(yùn)算放大器等有源器件的濾波電路。這種濾波器相對(duì)于無源濾波器的特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)牢固、可以集成。由于運(yùn)算放大器具有輸人阻抗高、輸出阻抗低、高的開環(huán)增益和良好的穩(wěn)定性，且構(gòu)成簡單而且性能優(yōu)良。本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)選用了去處放大器來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
圖6所示的二階帶通濾波器是一種二階壓控電壓源(VCVS)帶通濾波器，其濾波電路采用有源濾波器完成，并由二階壓控電壓源(VCVS)低通濾波器和二階壓控電壓源高通濾波器串接組成帶通濾波器。
對(duì)于第一部分，即低通濾波器，系統(tǒng)要求的低通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)為：
第二部分為高通濾波器，系統(tǒng)要求的高通截止頻率為fc，其傳遞函數(shù)如下：
4完整的檢測電路設(shè)計(jì)
本光電檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整電路如圖7所示。為方便表示，電路中的R2、R3即為前面等效電路模型中的RT、RF。前級(jí)部分由光電轉(zhuǎn)換二極管與前級(jí)放大器組成，這也是光電檢測電路的核心部分，其器件選用高性能低噪聲運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)電路匹配并將光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍的放大。然而，雖然前級(jí)放大倍數(shù)可以設(shè)計(jì)得很大，但由于反饋電阻會(huì)引入熱噪聲而限制電路的信噪比，因此前級(jí)信號(hào)不能無限放大。
電子檔案是指通過計(jì)算機(jī)磁盤等設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)，與紙質(zhì)檔案相對(duì)應(yīng)，相互關(guān)聯(lián)的通用電子圖像文件集合，通常以案卷為單位。電子檔案與傳統(tǒng)的紙質(zhì)檔案有相同的本質(zhì):都是文件存在的一種方式、都具有物理實(shí)態(tài)的特征、都是形成者真實(shí)活動(dòng)的記錄，有參考利用價(jià)值，需要存檔備查。但相比之下電子檔案在記錄方式上有許多獨(dú)特的特性:即電子檔案依賴于計(jì)算機(jī)軟、硬件和數(shù)據(jù)庫與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其信息存儲(chǔ)量大大高于過去的各種信息介質(zhì)。而且便于存放、方便快捷，極大地提高了工作效率，信息可以實(shí)現(xiàn)共享且不受地域的限制。
二、成人教育電子學(xué)籍檔案管理的作用
首先，計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量滿足大，可以滿足由于招生規(guī)模擴(kuò)大而導(dǎo)致的學(xué)籍檔案數(shù)量迅速增加的需要。一臺(tái)配備電子檔案管理軟件的計(jì)算機(jī)就可以存儲(chǔ)歷年歷屆學(xué)生的學(xué)籍檔案，這樣就能夠安全高效地完成各級(jí)學(xué)生學(xué)籍檔案的日常管理。同時(shí)電子檔案管理通常情況下實(shí)行專人管理，檔案的保密性強(qiáng)，工作效率高。其次，由于電子檔案管理軟件具有搜索和查詢功能，管理人員可以隨時(shí)輸入查詢條件僅需幾分鐘甚至更短的時(shí)間就可以調(diào)取任何一個(gè)考生的信息。如果是傳統(tǒng)的紙質(zhì)方式進(jìn)行查詢往往需要數(shù)小時(shí)甚至更長時(shí)間才能找到，為管理人員節(jié)約了大量的時(shí)間和精力，既減少了檔案管理的成本，也大大提高了工作的效率。再次，利用計(jì)算機(jī)中某些軟件，可以對(duì)相關(guān)學(xué)籍信息進(jìn)行分析處理，對(duì)每個(gè)學(xué)生的信息進(jìn)行綜合處理，為學(xué)生加深對(duì)自身的了解、高校提高管理水平、用人單位找到更合適的員工和制定合理的用人計(jì)劃提供方便。
三、目前成人教育學(xué)籍電子檔案管理工作中存在的問題
1、子檔案管理重視程度不夠。
一部分成教管理工作人員對(duì)學(xué)籍管理工作認(rèn)識(shí)模糊，思想上只把成教當(dāng)成普教的附屬品;還有少數(shù)分管成教工作的校領(lǐng)導(dǎo)和工作人員僅將它看成創(chuàng)收的渠道。這種思想導(dǎo)致許多軟件和硬件的配備都不能滿足電子檔案的管理需要，硬件設(shè)施不夠完善，不能按崗配備專門人才及檔案管理混亂等。
2、子檔案管理仍然存在手段落后和模式陳舊現(xiàn)象。
雖然目前很多成人教育都采用了電子檔案管理方法，但實(shí)踐中還有許多高校的成人教育學(xué)籍電子檔案管理仍然采用的是傳統(tǒng)手工操作，沒有采用電子檔案管理，沒有配備專門的電子檔案管理軟件。有一些學(xué)校的學(xué)籍管理的常規(guī)性工作雖然也一部分使用了計(jì)算機(jī)，但也僅僅是采用單機(jī)操作，計(jì)算機(jī)的價(jià)值只是打印的工具而已。這些手段明顯落后于形勢，跟不上時(shí)展的需要，從而必然阻礙了工作效率的提高和成人教育事業(yè)的發(fā)展。
3、電子檔案管理存在忽視學(xué)籍檔案管理隊(duì)伍建設(shè)和人員培訓(xùn)的現(xiàn)象。
成教學(xué)籍檔案管理工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要求子檔案管理人員不僅要有過硬的專業(yè)素養(yǎng)，而且要把握工作中的準(zhǔn)確性和原則性。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的不斷升級(jí)，要求電子檔案管理人員要不定期的參加系統(tǒng)培訓(xùn)。但是實(shí)踐中，許多地方高校普遍存在著忽視學(xué)籍管理隊(duì)伍的建設(shè)的現(xiàn)狀，學(xué)籍管理人員存在著綜合素質(zhì)偏低、專業(yè)結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)不合理等現(xiàn)象。高校只有緊緊圍繞當(dāng)前時(shí)展對(duì)成人高等教育的新要求，徹底摒棄陳舊和落后的管理理念，將科學(xué)、先進(jìn)、高效的管理理念引進(jìn)到學(xué)籍電子檔案管理領(lǐng)域，才能有效地加強(qiáng)和完善學(xué)籍管理隊(duì)伍建設(shè)工作。
4、子檔案管理存在著信息技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一些難題
如學(xué)籍管理密鑰升級(jí)過于繁復(fù)、網(wǎng)上黑客與病毒的客觀存在。而且電子檔案管理有其自己的特點(diǎn)，它是無形的東西，裝載在某種介質(zhì)上，并且必須通過計(jì)算機(jī)或其他“懂”得其組成規(guī)則的工具才能看得到它，沒有傳統(tǒng)檔案的直觀性等等?？梢哉f，保證電子文件的真實(shí)性和原始性的技術(shù)難題很多，這些因素都制約著學(xué)籍電子檔案管理水平。當(dāng)然，電子檔案當(dāng)前還處于發(fā)展的初級(jí)階段，需要不斷的改進(jìn)和完善。
四、成人教育學(xué)籍電子檔案管理的具體措施
1.成人教育學(xué)籍管理需要引進(jìn)一套規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)籍檔案管理軟件。
目前大部分高校使用的學(xué)籍檔案管理軟件是購買軟件公司開發(fā)的通用的檔案管理軟件，比較有實(shí)力的高校也可能根據(jù)本校的實(shí)際情況自行開發(fā)管理軟件。軟件公司開發(fā)的檔案管理軟件雖然設(shè)計(jì)的原理遵循了國家檔案實(shí)體分類法的規(guī)定，能夠基本適應(yīng)高校學(xué)籍檔案管理的需要，但是這類軟件更適用于文書檔案的管理。將其用于高校的學(xué)籍檔案管理比較牽強(qiáng)。而部分學(xué)校自行開發(fā)的軟件由于根據(jù)本校實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以比較適合本單位檔案管理工作。但自行開發(fā)的軟件分類標(biāo)準(zhǔn)卻欠規(guī)范。兩種類型都各有利弊，如何揚(yáng)長避短?實(shí)踐中購買軟件的高?？梢栽谝M(jìn)軟件時(shí)與軟件公司進(jìn)行約定，要求開發(fā)人員根據(jù)本校實(shí)際，在原有通用軟件的基礎(chǔ)上做適當(dāng)?shù)男薷?。而有條件自行開發(fā)軟件的高校，可以在基于本校工作實(shí)際的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照國家檔案實(shí)體分類法的規(guī)定制定分類標(biāo)準(zhǔn)，使其在適應(yīng)自身學(xué)籍檔案管理需要的同時(shí)，更加標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
2.配備專職的成人學(xué)籍檔案管理人員，并加強(qiáng)管理人員的培訓(xùn)。
首先，先進(jìn)的學(xué)籍管理軟件需要掌握信息技術(shù)知識(shí)并能熟練操作使用這些管理軟件的專職管理隊(duì)伍才能實(shí)現(xiàn)發(fā)揮作用。要保障成人學(xué)籍檔案管理的現(xiàn)代化和信息化，不僅要大力提高學(xué)籍管理人員的知識(shí)水平及管理能力，尤其要管理人員具有熟練使用現(xiàn)代化辦公設(shè)施的能力。所以配備專職的成人學(xué)籍檔案管理人員至關(guān)重要。其次由于信息技術(shù)是不斷更新的，所以重視和加強(qiáng)對(duì)檔案管理人員的培訓(xùn)和繼續(xù)教育也不容忽視。學(xué)籍管理人員必須及時(shí)學(xué)習(xí)新技能和新知識(shí)以提高他們的信息管理意識(shí)和水平，這樣才能更好地為本職工作服務(wù)。
3.子學(xué)籍檔案管理需要建立網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)信息共享。
成人教育的學(xué)籍管理不僅部門自身需要查閱，各級(jí)教育主管部門也要在需要時(shí)對(duì)成人教育學(xué)籍檔案的相關(guān)信息進(jìn)行查詢。如何提高辦事效率，減少重復(fù)勞動(dòng)和查閱紙質(zhì)檔案的時(shí)間?這就需要建立網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)現(xiàn)成人教育學(xué)籍檔案相關(guān)管理模塊與教育主管部門的對(duì)接。各部門可以根據(jù)工作需要直接調(diào)用學(xué)籍檔案中的信息。
4.子學(xué)籍檔案管理要注意學(xué)籍檔案的安全性和保密性。
論文摘要：高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,既注重通過基本訓(xùn)練使學(xué)生掌握基本知識(shí)、基本方法和基本技能,也注重在實(shí)驗(yàn)過程中逐步增強(qiáng)學(xué)生主動(dòng)意識(shí),不斷滿足他們自主實(shí)驗(yàn)的要求,并鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)方案,自主研究探索,獨(dú)立思考創(chuàng)新.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中,不僅需要?jiǎng)邮植僮?、感官觀測,還需要充分調(diào)動(dòng)自己的思維去想象、思考、推測結(jié)論,學(xué)生從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題,并利用所積累的理論和實(shí)踐知識(shí)解決問題。
經(jīng)過幾年的電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)后,有幾點(diǎn)想法和大家討論一下。
1多媒體技術(shù)在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)教學(xué)方式手段單一。大多僅用粉筆和黑板,學(xué)生聽起來看起來枯燥乏味,注意力常常不集中,講課效率低下。特別是在介紹使用各種儀器設(shè)備使用方法的時(shí)候,借助多媒體學(xué)生就能直觀,形象地了解而不是聽得一頭霧水卻找不到正確的使用方法。同時(shí),也可以現(xiàn)場演示一下儀器設(shè)備的使用,使學(xué)生更直接地了解。但是,我們也不需要把所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容都做成課件,原來很簡單的一個(gè)知識(shí)或者學(xué)生很熟悉的東西,就沒有必要非得在屏幕上展示出來了。我們不能過分地依賴多媒體,也不能簡單地認(rèn)為“用了多媒體就是掌握了先進(jìn)的教育理念,或使用多媒體的課一定就是好課”。多媒體效果如何,關(guān)鍵要看是否提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性,是否提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。我們應(yīng)該恰當(dāng)?shù)厥褂枚嗝襟w,讓它畫龍點(diǎn)睛,更好地為電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)。
2想讓學(xué)生動(dòng),又怕學(xué)生動(dòng)不好
學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行或者合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立性、自主性、合作精神,使電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為學(xué)生質(zhì)疑、搜集信息和處理、探究的實(shí)踐活動(dòng)。但是在電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中,我們卻十分擔(dān)心學(xué)生的安全問題。在強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)中,盡管我們一直強(qiáng)調(diào)關(guān)電源接電路等各種安全措施,但是,在具體的實(shí)驗(yàn)過程中還是會(huì)出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。比如在日光燈管實(shí)驗(yàn)和電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中,短路現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的報(bào)警聲常常出現(xiàn),以至于實(shí)驗(yàn)不能順利進(jìn)行下去,個(gè)別學(xué)生甚至于不敢打開電源,運(yùn)行電路。針對(duì)此類現(xiàn)象,在漏電保護(hù)器和實(shí)驗(yàn)臺(tái)保險(xiǎn)裝置的保護(hù)下,我們要求學(xué)生大膽動(dòng)手,盡量完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。高校的學(xué)生畢竟已經(jīng)成年了,我們給他們一個(gè)寬松的環(huán)境,讓他們自己多動(dòng)手多操作,而不是老師怎么說,他們就怎么做,這樣才能鍛煉他們的動(dòng)手實(shí)踐能力。。
3允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在錯(cuò)誤和缺陷
學(xué)生的天職就是學(xué)習(xí)，學(xué)生來上實(shí)驗(yàn)課是希望能從實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)到一些他想學(xué)，或者學(xué)了對(duì)他很有幫助的知識(shí)。那么在他來學(xué)習(xí)的時(shí)候，他在某些方面的知識(shí)肯定還有很大的不完整性。因此，我們在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，在不違反實(shí)驗(yàn)室安全條例和規(guī)章制度的情況下，允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中存在某些錯(cuò)誤碼和缺陷。同時(shí)，當(dāng)錯(cuò)誤和缺陷出現(xiàn)時(shí)，往往能促使學(xué)生繼續(xù)思考或探討，讓學(xué)生自己去評(píng)價(jià)或全面思考自己的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，我們要在必要的時(shí)候給予適當(dāng)?shù)奶嵝?。問題出來了，我們才能去解決才能去克服，相對(duì)于能順順利利地完成實(shí)驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求，那么在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤和缺陷的學(xué)生，則更有機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)和解決問題的方法。而有的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師，在這個(gè)問題上的做法恰恰相反，他不太愿意接受學(xué)生的不足，一旦學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了問題，就會(huì)馬上提醒學(xué)生急剎車，或者阻止學(xué)生進(jìn)一步動(dòng)手。而這種情況，會(huì)失去很多真正挖掘?qū)W生才能的機(jī)會(huì)，也會(huì)慢慢養(yǎng)成學(xué)生懶惰的習(xí)慣，讓學(xué)生的思維受到了限制。
4讓電工電子實(shí)驗(yàn)激發(fā)并提高學(xué)生學(xué)習(xí)理論課的興趣
興趣是一種特殊的意識(shí)傾向，是動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的重要主觀原因，良好的學(xué)習(xí)興趣是求知欲的源泉，是思維的動(dòng)力。因此，如何在電工電子實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)用手段，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)姆椒ぐl(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣，是我們積極研究和探討的問題。比如，我們可以在日光燈管的實(shí)驗(yàn)中，聯(lián)系生活現(xiàn)象，簡單地介紹判斷燈管好壞的方法，聯(lián)系環(huán)保節(jié)能，在提高功率因素的實(shí)驗(yàn)過程中現(xiàn)場提問，加深學(xué)生對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的印象；也可以在擴(kuò)音機(jī)電路的實(shí)驗(yàn)中，在教室的講臺(tái)上放上音箱，讓完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生直接能夠聽到從音箱里放出來的音樂，這對(duì)學(xué)生是一個(gè)激勵(lì)，也是對(duì)完成此實(shí)驗(yàn)學(xué)生的一個(gè)肯定，能夠大大提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性；在搶答器或者計(jì)數(shù)器的實(shí)驗(yàn)中，可以安排完成實(shí)驗(yàn)的學(xué)生進(jìn)行搶答比賽，讓學(xué)生體會(huì)到實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性。這樣，就激發(fā)了學(xué)生濃厚興趣，更激發(fā)了他們的求知欲望，使他們對(duì)所學(xué)的理論課也更有興趣。
5比較準(zhǔn)確地評(píng)定實(shí)驗(yàn)成績
【關(guān)鍵詞】 學(xué)位論文；電子版；遠(yuǎn)程提交；中國中醫(yī)科學(xué)院
研究生學(xué)位論文是高等學(xué)?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)的研究生為取得碩士或博士學(xué)位,在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的科學(xué)研究、科學(xué)試驗(yàn)成果的書面報(bào)告,包括博士學(xué)位論文、碩士學(xué)位論文及博士后研究報(bào)告。學(xué)位論文電子版作為一種“原生態(tài)”及特色館藏?cái)?shù)字化資源,對(duì)其收集、整理及利用是圖書館的一項(xiàng)重要工作,從2000年起各高等院校圖書館陸續(xù)開展了收集工作。近年來,科研機(jī)構(gòu)圖書館也開始重視此方面的工作。
1 中國中醫(yī)科學(xué)院研究生院概況
中國中醫(yī)科學(xué)院是國家在中醫(yī)藥科學(xué)技術(shù)方面的最高學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu),也是培養(yǎng)高層次中醫(yī)藥人才的重要基地。中國中醫(yī)科學(xué)院研究生院是國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)最早批準(zhǔn)的中醫(yī)藥專業(yè)學(xué)位教育單位之一,現(xiàn)有中醫(yī)學(xué)、中藥學(xué)、中西醫(yī)結(jié)合3個(gè)一級(jí)學(xué)科所涵蓋的所有學(xué)科專業(yè)的博士、碩士授予權(quán),具有臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)位授予和在職人員申請學(xué)位的資質(zhì)；設(shè)有中西醫(yī)結(jié)合、中醫(yī)學(xué)、中藥學(xué)3個(gè)一級(jí)學(xué)科的博士后工作站。
2 學(xué)位論文電子版的提交方案
2006年,中國中醫(yī)科學(xué)院圖書館提出了收集學(xué)位論文的建議,所領(lǐng)導(dǎo)對(duì)此非常重視,與科學(xué)院及研究生院有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多次商議此項(xiàng)工作,得到了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的支持,于2007年開始收集學(xué)位論文電子版工作。由于網(wǎng)上提交平臺(tái)未建好,收集方式采用通過e-mail發(fā)送,或研究生本人親自到圖書館將電子版學(xué)位論文拷到圖書館電腦上,因此病毒傳播不可避免,工作人員的電腦多次受到病毒侵入,影響了圖書館的工作。由于經(jīng)驗(yàn)不足,提交要求考慮得也不全面,給圖書館工作人員對(duì)論文審查帶來了不便。由于提交工作比較集中,論文審查也需要一些時(shí)間,致使出現(xiàn)讓研究生等候浪費(fèi)時(shí)間的情況。采取這種方式提交上來的論文不能自動(dòng)形成數(shù)據(jù)庫,不能供用戶查詢檢索,需要圖書館工作人員利用電子文檔重新建立數(shù)據(jù)庫。我們總結(jié)了2007年收集經(jīng)驗(yàn)及出現(xiàn)的問題,并與研究生院商議,聯(lián)合決定2008年采用遠(yuǎn)程網(wǎng)上提交的方案。具體方案如下。
2.1 論文提交規(guī)定
學(xué)位論文答辯通過后,學(xué)位申請人必須向圖書館提交電子版學(xué)位論文,紙本論文仍然沿用過去的提交方式。從2008年開始,電子版實(shí)行網(wǎng)上提交。提交論文之前需要下載并簽署中國中醫(yī)科學(xué)院學(xué)位論文電子版授權(quán)協(xié)議書。論文電子版審查通過后,由圖書館指定工作人員在“回執(zhí)單”上簽字蓋章；不合格者需要重新提交?；貓?zhí)單上無此項(xiàng)認(rèn)證簽字及圖書館蓋章者,研究生院將不予頒發(fā)學(xué)位證書,且不予辦理畢業(yè)離院手續(xù)。
2.2 提交時(shí)間
①應(yīng)屆畢業(yè)的博士、碩士研究生及應(yīng)在通過學(xué)位論文答辯后、畢業(yè)離校前,通過網(wǎng)上提交。②以同等學(xué)歷申請碩士學(xué)位的在職人員,須在通過學(xué)位論文答辯后兩周內(nèi)通過網(wǎng)上提交。③博士后研究人員在出站前兩周內(nèi)通過網(wǎng)上提交。
2.3 提交內(nèi)容
包括3個(gè)部分：個(gè)人信息、導(dǎo)師信息、論文信息(題錄摘要與全文)。
2.4 提交要求
①文件格式：word或pdf文檔。②提交論文的電子版在排版形式及內(nèi)容上與印刷版必須保持完全一致。③要求將電子版全文合并為一個(gè)文檔,word文檔后綴為.doc,pdf文檔后綴為.pdf。
2.5 保密論文的提交
為了保護(hù)作者的知識(shí)產(chǎn)權(quán),對(duì)涉密論文我們只要求研究生在網(wǎng)上提交個(gè)人、導(dǎo)師信息及論文題要部分信息,而全文文檔不采用網(wǎng)上提交,而是需要持蓋章后的“保密申請表”及“中國中醫(yī)科學(xué)院學(xué)位論文電子版授權(quán)協(xié)議書”,直接到圖書館找圖書館管理員提交學(xué)位論文電子版全文光盤。
3 提交情況分析
2008年提交論文182篇,其中碩士123篇,博士59篇。要求保密的論文有7篇。保密年限有2年、3年、10年,最多要求20年。保密論文主要涉及中藥材研究,創(chuàng)新藥物研制,新發(fā)明新發(fā)現(xiàn)而未申請專利,內(nèi)容創(chuàng)新、文章尚未發(fā)表,科研課題未完成、科研數(shù)據(jù)需保密,與企業(yè)合作的新藥開發(fā)、合同有保密條款、中藥作用機(jī)制研究等。
4 建議與思考
4.1 加強(qiáng)學(xué)位論文的開發(fā)與利用
我院研究生學(xué)位論文是我院的重要文獻(xiàn)信息資源和科研成果,具有很高的學(xué)術(shù)研究和科技開發(fā)價(jià)值。論文選題比較新穎,涉及的內(nèi)容比較前沿,一般是中醫(yī)藥學(xué)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題,具有一定的獨(dú)創(chuàng)性和創(chuàng)新性。因此,學(xué)位論文是了解中醫(yī)藥學(xué)最新學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)、熱點(diǎn)及前沿問題的有效途徑之一,尤其對(duì)科研人員的選題和知識(shí)創(chuàng)新起著很好的參考作用。學(xué)位論文不但是一種重要的文獻(xiàn)信息資源和科研成果,而且是國家的戰(zhàn)略信息資源之一,具有重大科技創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值[1]。因此,對(duì)其整理開發(fā)利用是目前的主要任務(wù)。目前,我館收藏2006年以前的學(xué)位論文印刷本有1 000余種,這些重要文獻(xiàn)沒有受到充分重視,至今未建成書目查詢系統(tǒng),無法得到有效開發(fā)及充分利用。
目前,我國已經(jīng)建立了4個(gè)有影響的學(xué)位論文資源庫：萬方數(shù)據(jù)的《中國學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫》、清華同方(cnki)的《中國優(yōu)秀博碩士論文全文數(shù)據(jù)庫》、國家科技圖書文獻(xiàn)中心(nstl)的《學(xué)位論文庫》、中國高等教育文獻(xiàn)保障系統(tǒng)(calis)的《高校學(xué)位論文庫》[2]。但由于4個(gè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫來源不一樣,其收錄的數(shù)量也不相同。筆者調(diào)查了4個(gè)數(shù)據(jù)庫收錄我院研究生學(xué)位論文情況：cnki收錄336篇,其中《中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》收錄218篇,《中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》收錄118篇(收錄年限范圍為2005－2007年)；萬方數(shù)據(jù)的《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》(收錄年限范圍為1998－2007年)、《中國學(xué)位論文文摘數(shù)據(jù)庫》收錄945篇(收錄年限范圍為1987－2007年)；nstl收錄共計(jì)1 005篇(收錄年限范圍為1987－2007年)；calis未收錄。4個(gè)數(shù)據(jù)庫收錄我院2007年畢業(yè)的研究生學(xué)位論文情況見表1。表1 4個(gè)學(xué)位論文庫收錄2007年中國中醫(yī)科學(xué)院學(xué)位論文情況(略)
而我館收集了2007年我院研究生學(xué)位論文印刷本157冊,電子版154篇。
從以上數(shù)據(jù)可以看出,我國主要學(xué)位論文庫收錄我院研究生學(xué)位論文很不齊全,也不完整。無論從我館文獻(xiàn)資源建設(shè)、學(xué)位論文的開發(fā)利用,還是從我院機(jī)構(gòu)庫建設(shè)等角度來說,加強(qiáng)我院學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫的建設(shè)都是非常重要的。
4.2 加強(qiáng)網(wǎng)上提交過程的計(jì)算機(jī)病毒防治
計(jì)算機(jī)病毒始終是困擾計(jì)算機(jī)用戶的一大問題,尤其是面對(duì)來自近200個(gè)不同作者提交的論文,病毒防治尤為重要。實(shí)際上,也確實(shí)有相當(dāng)數(shù)量的電子文檔含有宏病毒,處理這些文件要特別小心。因?yàn)楹泻瓴《镜奈募坏┍淮蜷_,就會(huì)感染文檔模板,之后打開的任何word文件都會(huì)感染此病毒。建議給服務(wù)器安裝病毒實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),一旦發(fā)現(xiàn)病毒,系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警并提示是否清除。
4.3 盡快開發(fā)新的提交系統(tǒng)
目前使用的提交系統(tǒng)功能很不完善,界面也不美觀,查詢檢索及控制功能也不完備。目前提交過程中,研究生遇到了很多問題,文件太大無法上傳全文,文本編輯器在字體、段落控制方面功能太差等。另外,此系統(tǒng)不具備回溯建庫功能,也不具備版權(quán)保護(hù)功能。建議購置功能完備的、成熟的商業(yè)化學(xué)位論文提交及管理系統(tǒng),如trs、清華同方tpi、idl、北大方正等學(xué)位論文提交與系統(tǒng)。
4.4 注意規(guī)避相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)
在學(xué)位論文開發(fā)利用過程中會(huì)產(chǎn)生很多知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)。學(xué)位論文屬于非正式出版物,設(shè)有公開、內(nèi)部、秘密和保密4個(gè)級(jí)別。對(duì)于傳統(tǒng)的印本論文使用和服務(wù)各個(gè)圖書館采用的服務(wù)辦法基本相同：公開的論文限定在館內(nèi)閱覽,不提供外借,內(nèi)部、秘密和保密的論文在解密后提供館內(nèi)閱覽[3]。因此,印刷本在收繳過程中沒有特別強(qiáng)調(diào)學(xué)位論文的授權(quán)許可。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字環(huán)境下,電子版論文的傳播方式和版權(quán)控制極為復(fù)雜,涉及到著作權(quán)、信息網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)等問題,為了促進(jìn)學(xué)位論文的交流和利用,電子學(xué)位論文的授權(quán)就要采取相應(yīng)策略。取得學(xué)位論文的授權(quán),明細(xì)授權(quán)方式及范圍是開展論文后續(xù)服務(wù)的基礎(chǔ)[4]。采用論文授權(quán)方式可有效的實(shí)現(xiàn)學(xué)位論文的使用,避免侵權(quán)糾紛。如我館2009年規(guī)定：在電子版學(xué)位論文提交之前,要求論文作者(研究生、導(dǎo)師)同時(shí)簽署“學(xué)位論文電子版授權(quán)協(xié)議書”,同意中國中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)藥信息研究所/中國中醫(yī)科學(xué)院圖書館在下述時(shí)間內(nèi)以下述形式使用本學(xué)位論文電子版：在本論文提交后,同意在中國中醫(yī)科學(xué)院局域網(wǎng)內(nèi)提供網(wǎng)上文摘查詢?yōu)g覽服務(wù)；在本論文(公開密級(jí))提交1年以后,同意在中國中醫(yī)科學(xué)院局域網(wǎng)內(nèi)允許讀者瀏覽并下載全文；保密學(xué)位論文在解密后同意在中國中醫(yī)科學(xué)院局域網(wǎng)內(nèi)允許讀者瀏覽并下載全文。
5 結(jié)語
學(xué)位論文電子文檔的收集工作可以說是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。不僅僅是圖書館、檔案館有積極性就能做好的事情,還需要學(xué)校及研究生管理部門下達(dá)指令性通知,需要有一個(gè)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)、便捷的提交系統(tǒng)以及每一位研究生的理解與配合。我們2008年的初次嘗試雖然遇到了一些問題,但總體上是成功的。
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