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第1篇：半導體芯片原理范文

關鍵詞:鉑電阻;溫度控制;高精度;自適應PID

中圖分類號:TP368文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-101-03

Small High Precision Constant Temperature System

ZHU Yue,XU Xiaohui,SONG Tao,ZHAO Lijun,WANG Meng

(Hebei University of Technology,Tianjin,300401,China)

Abstract:The small high precision constant temperature control system which consists of MCU AT89C51 as controlling core,bridge detecting input and filter amplifier circuit.For the temperature-resistance characteristic curve a Platinum resistor is nonlinear,special current type temperature detect circuit,software side is used to compensate the nonlinear measurement error of the the platinum resistor Pt100 in order to guarantee the temperature measurement precision.Meanwhile the self-adaptive PID control algorithm is adopted to improve the temperature control precision.Heating cooling using device of semiconductor refrigeration.and A-Pt100 temperature sensor,debugging the system repeatedly,measuring a large number of experimental data.The aspects of theory and experiment are reliable.Experimental results show that not only the measurement and control method are feasible but also the precision of this system has achieved a higher requirement.

Keywords:Platinum resistance;temperature control;high-precision;adaptive PID

0 引 言

溫度是工業生產中相當重要的參數之一,溫度檢測和控制的準確性直接影響產品的穩定性和準確性[1]。因此,在很多工業儀器儀表中,對溫度要求嚴格。如在生化儀器中,檢測的是化學和生物方面的物品,溫度對其影響非常大,沒有一個恒定的溫度會使測量結果產生誤差[2]。較高精度的恒溫系統是一個儀表儀器的有力保證。而且現在的儀器都是趨于小型化,便攜化的方向發展,所以研制小型化恒溫系統意義明顯。

針對這一情況,以單片機為控制器核心,對溫度信號進行校正和補償,對溫度控制采用相關優秀算法,并且在實驗中反復調試控制參數,控制器件采用半導體致冷器,它具有小巧,而且同時滿足加熱和制冷功能。使小型恒溫系統達到較高的要求,為解決溫度恒定控制提供了良好的基礎。

1 硬件設計

因為鉑熱電阻化學性能穩定且具有較高的測量精度,所以測溫器件選用A級精度薄膜鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器。電橋采集溫度信號穩定精確,所以采用其作為信號測量電路。采用分辨精度高的16位I2C總線型串行A/D轉換芯片MAX1119[6]。采用INA118儀表式放大芯片,它的性能穩定,放大后數據準確。以AT89C51芯片作為核心控制器件,芯片具有價格便宜,芯片具有高靜電保護,不怕電源抖動。半導體制冷片采用TEC12706。系統原理圖如圖1所示。

圖1 恒溫系統原理框圖

實驗控制對象空間是一個0.16 L空間的區域。用精密鉑熱電阻將溫度信號轉化為電壓信號,通過放大后進入A/D轉換器,然后輸出的數字信號進入單片機,通過軟件進行非線性校正得出溫度數據。同時將所測溫度在LCD上進行顯示,將溫度數據通過PID運算轉化為可調的脈沖寬帶調制波。通過調節PWM波的占空比來調節半導體制冷片的功率,以達到恒定溫度的目的。

1.1 測溫電路部分

電橋選用A級精度的鉑熱電阻Pt100作為溫度傳感器,其他三個電阻選用0.1%的100 Ω的電阻。電位器功能是調節平衡。如圖2所示。

圖2 鉑電阻測溫電橋

儀表放大芯片有很高的輸入阻抗,且其選擇了同相端作為輸入端,則它們的共模輸出電壓和溫度漂移電壓也相等,可以互相抵消,故它有很強的共模抑制比和較小的輸出漂移電壓。為了使放大芯片工作在最佳狀態下,芯片的供電電壓最好要比輸入共模電壓高1.25 V。采用單端供電方式時,選取參考電壓源約為供電電壓的1/2。通過改變電阻Rg的阻值來改變增益。G=50/Rg+1。如圖3所示。

圖3 電壓放大電路

這樣就保證了放大信號進入單片機信號有很好的穩定性、精確性,為能更好控制溫度打下良好基礎。

1.2 控溫電路部分

電橋經過放大電路輸出電壓信號經A/D轉換后送入到單片機,單片機對其進行自校正PID控制,由單片機端口輸出相應的PWM信號。PID控制脈沖寬帶調制PWM波的占空比,通過控制光耦的通斷來控制半導體制冷片的加熱功率。為保證半導體制冷器件正常工作,要求輸入的電源電壓紋波小于10%,且在5 min內不能改變電源的極性[8],因此本系統采取濾波電路,采用兩個分立的控制電路,使得制冷單元和加熱單元完全分開,既能使電壓的紋波達到了要求,又不會突然改變半導體制冷器件電源的極性,使制冷器件的壽命延長。由于光藕輸出電流達不到要求,所以系統加入了場效應管來驅動半導體致冷器。如圖4所示。

圖4 控溫電路

第2篇：半導體芯片原理范文

摘要：

評估了使用深反應離子刻蝕工藝來進行晶圓的切割，用于替代傳統的刀片機械切割方式。結果表明，使用深反應離子刻蝕工藝，晶圓劃片道內的硅通過等離子化學反應生成氣態副產物被去除，從而避免了芯片側面的機械損傷。切割后整個晶圓沒有出現顆粒沾污，芯片邊緣沒有崩角以及開裂等損傷。該工藝還可以適用于更窄的劃片道切割要求。

關鍵詞：

深反應離子刻蝕；刀片機械切割；崩角；開裂

1引言

半導體行業一直使用刀片機械切割晶圓的方式，將芯片分離成單獨的顆粒，這是目前業界的主流工藝。刀片切割過程中會產生碎屑，芯片側壁受機械損傷會出現崩角以及開裂，影響到芯片的有效區域，造成電性能失效。硅的裂紋會出現延伸或傳播，影響芯片的可靠性以及使用壽命。伴隨著半導體工業的發展，晶圓劃片道寬度越來越窄。通常劃片道寬度在60μm以下時，刀片機械切割將出現工藝瓶頸，主要受限于刀片本身寬度。腐蝕技術分為干法腐蝕和濕法腐蝕。腐蝕具有各向同性腐蝕與各向異性腐蝕之分，還有選擇性腐蝕與非選擇性腐蝕之分。濕法腐蝕工藝技術是化合物半導體器件制作中一種重要的工藝技術；它是在具有高選擇比掩蔽膜的保護下對介質膜或半導體材料進行腐蝕而得到所需圖案的一種技術。濕法腐蝕是一種化學腐蝕方法，主要針對InP、GaAs基化合物半導體材料及SiO2的腐蝕。從圖1可以看出，濕法腐蝕各向同性，其腐蝕偏差較大，腐蝕圖形不可控，無法滿足半導體芯片切割的要求。在濕法腐蝕中,抗蝕劑與襯底交界面有腐蝕劑滲入的問題。為了抑制腐蝕液的滲入，顯影后需要烙烘進行堅膜，由此常常引起抗蝕劑圖形的變形，不利于微細加工[1]。干法刻蝕是在真空狀態下通入一定量的反應氣體，在射頻電場作用下輝光放電，形成等離子體。等離子體中含有離子、電子及游離基等，可與被刻蝕晶圓表面的原子發生化學反應，形成揮發性物質，達到刻蝕樣品表層的目的。同時，高能離子在一定的工作壓力下，射向樣品表面，進行物理轟擊和刻蝕，使得反應離子刻蝕具有很好的各向異性，從而得到所需要的器件外形結構[2]。從圖2可以看出，干法刻蝕由于各向異性，腐蝕偏差小，腐蝕圖形可控，精度高,公害少,工藝清潔度高，對環境污染小。因此，在半導體制造中，干法刻蝕越來越成為用來去除表面材料的主要刻蝕方法。干法刻蝕的各向異性可以實現細微圖形的加工，滿足越來越小的尺寸要求，已取代濕法刻蝕成為最主要的刻蝕方式[3]。目前干法刻蝕技術有離子刻蝕、等離子刻蝕、反應離子刻蝕、深度反應離子刻蝕幾種類型，這幾種刻蝕方法適用于不同的被刻蝕材料。其中，深反應離子刻蝕主要應用在去除硅的場合，在刻蝕SiO2時，DRIE的刻蝕速度更快。其刻蝕剖面各向異性，即刻蝕只在垂直于晶圓表面的方向進行，只有很少的橫向刻蝕，可以獲得90°±1°垂直度的側壁，用于創建深溝或高縱深比結構。其刻蝕的各向異性可以實現細小圖形的轉換，滿足較小尺寸的要求。深反應離子刻蝕因其具有較高的刻蝕速率、良好的方向性和選擇性而在各種各樣的硅基微系統制造中得到大量的應用，不但廣泛地應用在微電子領域，而且是集成光學器件及微光機電器件加工的重要手段[4，7]。

2深度反應離子刻蝕的基本原理

深度反應離子刻蝕也叫高密度等離子刻蝕或感應耦合等離子刻蝕，是一種采用化學反應和物理離子轟擊去除晶圓表面材料的技術[5]。它將等離子的產生和自偏壓的產生分別用兩個獨立的射頻電源進行，有效避免了反應離子刻蝕中射頻功率和等離子密度之間的矛盾。為實現刻蝕基進入高深寬比圖形并使刻蝕生產物從高深寬比圖形中出來，必須降低刻蝕系統的工作壓力，以增加氣體分子和離子的平均自由程。為避免因此導致的離子濃度變低而影響刻蝕速率，使用電感耦合等離子體產生高密度等離子[6]。圖3是電感耦合等離子刻蝕設備工藝腔簡圖。上電極由一個13.56MHz的射頻電源通過匹配器接入線圈用于電離氣體產生高密度等離子體，下電極由一個400kHz/13.56MHz的射頻電源通過匹配器接入靜電吸盤，在腔內產生自偏壓。深度反應離子刻蝕采用刻蝕和鈍化交替進行的博世工藝以實現對側壁的保護，形成近90°的垂直側壁[7~8]。原理如下。通入C4F8氣體電離，并發生聚合反應在溝槽側壁以及底部沉積形成鈍化層，由于自由基是中性，不受暗區電場的加速，沒有方向性，所以沉積的Polymer在溝槽底部以及側壁都是均勻的。參見圖4。通入SF6氣體電離，產生SxFy離子和F的活性自由基，SxFy離子在暗區電場作用下加速轟擊溝槽底部與側壁的鈍化層，于是鈍化層被刻蝕。參見圖5。由于暗區電場的加速作用，離子在垂直方向比在水平方向的轟擊占優，溝槽底部鈍化層比側壁鈍化層先一步被刻蝕清除，這時F的活性自由基與溝槽底部露出的硅反應產生SiF4氣體被泵抽走(如圖7)，實現對溝槽底部的刻蝕，直至側壁鈍化層也被刻蝕完畢再開始新的循環。從圖6看出，由于暗區電場的作用，溝槽側壁是最后被刻蝕完成的，故對側壁起到了很好的保護作用，因此，縱向刻蝕距離大于橫向刻蝕距離。相關化學反應的方程式如下：（1）各向同性Polymer沉積C4F8CFn（2）各向異性硅刻蝕+各向異性轟擊SF6+eSF5++F(游離基)+2eF+SiSiF4(g)對于晶圓的切割來說，各向異性刻蝕的刻蝕速率快，能形成高縱深比的結構和精確的三維結構，沒有負效應，能通過合理改變工藝參數滿足特定應用的顯微結構要求，使得深度反應離子刻蝕成為一個商業上可行的技術[9]。

3試驗準備

晶圓在使用深度反應離子刻蝕工藝進行劃片的工藝流程見圖8~13。硅刻蝕使用深反應離子刻蝕工藝將硅刻穿，完成芯片的切割。把晶圓背面貼上劃片膜，釋放玻璃片，從而便于后續的編帶，見圖13。刻蝕后的晶圓如圖14所示。干法刻蝕設備為SPPMUC21刻蝕機。該設備為ICP高密度等離子刻蝕機，刻蝕深度片內/片間均勻性誤差≤5%，刻蝕角度90±1°。

4樣品檢驗

4.1測量設備

測量設備為奧林巴斯光學顯微鏡和日立掃描電鏡。

4.2檢驗結果

（1）等離子刻蝕后晶圓表面沒有任何碎屑、沾污開裂等問題，見圖15。

（2）等離子刻蝕后晶圓劃片道內沒有任何殘留以及沾污，刻蝕前光刻開口22±1μm，刻蝕后劃片道開口滿足22±3μm。見圖16。

（3）等離子刻蝕后取芯片做SEM，觀察芯片側壁，沒有崩角或者開裂。見圖17。

（4）樣品良品率大于98%。

5結論

通過大量實驗，確定深反應離子刻蝕能用于硅片的切割；切割效果可以滿足規范要求。通過優化工藝流程、刻蝕速率和劃片槽開口大小，可以獲得理想的切割剖面，以確保深度反應離子切割是可以接受的。

參考文獻：

[1]孫靜，康琳，等.反應離子刻蝕與離子刻蝕方法的研究與比較[J].低溫物理學報，2006，28（3）.

[2]茍君，吳志明，太惠玲，袁凱.氮化硅的反應離子刻蝕研究[J].電子器件，2009，32（5）.

[3]茍君，吳志明，太惠玲，袁凱.氮化硅的反應離子刻蝕研究[J].電子器件，2009，32（5）.

[4]葛益嫻，王鳴，戎華.硅的反應離子刻蝕王藝參數研究[J].南京師范大學學報(工程技術版)，2006，6（3）.

[5]茍君，吳志明，太惠玲，袁凱.氮化硅的反應離子刻蝕研究[J].電子器件，2009，32（5）.

第3篇：半導體芯片原理范文

 

微電子技術的主要相關行業集成電路行業和半導體制造行業，既是技術密集型產業，又是投資密集型產業，是電子工業中的重工業。與集成電路應用相關的主要行業有：計算機及其外設、家用電器及民用電子產品、通信器材、工業自動化設備、國防軍事、醫療儀器等。

 

1.微電子技術的概述

 

微電子技術的涵義：微電子技術一般是指以集成電路技術為代表，制造和使用微小型電子元器件和電路，實現電子系統功能的新型技術學科，簡言之就是將電子產品微小化的技術。微電子技術主要涉及研究集成電路的設計、制造、封裝相關的技術與工藝;是建立在以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的高新電子技術。

 

因其體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，對信息時代的飛速發展具有巨大的影響。實現網絡、計算機和各種電子設備的信息化的基礎是集成電路，因此說微電子技術是電子信息技術的核心技術，是社會信息化發展的基石。

 

微電子技術知識組成及應用：微電子學科以半導體物理、半導體化學專業為基本，涉及半導體物理基礎、半導體材料、半導體器件與測量、半導體制造技術、微電子封裝技術、半導體可靠性技術、集成電路原理、集成電路設計、模擬電子線路、數字電路、工程化學、電路CAD基礎、可編程邏輯器件、電子測量、單片機原理等眾多學科知識。衡量微電子技術的標志要在三個方面：一是縮小芯片中器件結構的尺寸，即縮小加工線條的寬度：二是增加芯片中所包含的元器件的數量，即擴大集成規模;三是開拓有針對性的設計應用。

 

微電子的應用領域廣泛，主要分布在半導體集成電路芯片行業，從事制造、測試、封裝、版圖設計及質量管理、生產管理、設備維護等半導體行業，不光需要大量的一線工程技術人員，也需要大量高級技術工人。其就業方向主要面向微電子產品的生產企業和經營單位，從事半導體芯片制造、封裝與測試、檢驗、質量控制、設備維護等的工藝方面工作，生產管理和微電子產品的采購、銷售及服務工作。

 

2.微電子技術產業現狀

 

全球產業現狀：自上世紀，作為信息技術發展的基石，微電子技術伴隨著計算機技術、數字技術、移動通信技術、多媒體技術和網絡技術的出現得到了迅猛的發展，從初期的小規模集成電路(ssI)發展到今天的巨大規模集成電路(GSI)，成為使人類社會進入信息化時代的先導技術。本世紀，隨著現代科學技術的飛速發展，人類歷史進入一個嶄新的時代——信息時代。

 

其鮮明的時代特征是，支撐這個時代的諸如能源、交通、材料和信息等基礎產業均將得到高速發展，并能充分滿足社會發展及人民生活的多方面需求。電子科學與技術的信息科學已成為當前新經濟時代的基礎產業。

 

國際微電子技術的發展趨勢是集成電路的特征尺寸將繼續縮小，集成電路(Ic)將發展為系統芯片(sOC)。芯片是信息時代最重要的基礎產品之一，如果把石油比作傳統工業“血液”的話，芯片則是信息時代IT產業的“大腦”和“心臟”。無論是小到日常生活的電視機、VCD機、洗衣機、移動電話、計算機等家用消費品，還是大到傳統工業的各類數控機床和國防工業的導彈、衛星、火箭、軍艦等都離不開這，JwJ\的芯片。隨著我國國民經濟和信息產業持續快速增長，國內集成電路市場需求持續旺盛，當前我國集成電路市場已成為全球最大的市場。

 

微電子工業發展的主導國家是美國和日本，發達國家和地區有韓國和西歐。我國微電子技術產業正進入迅猛發展時期，目前已經成為世界半導體制造中心和國際上主要的芯片供應地。特別是在半導體晶片生產方面，其產量超過全世界晶片產量的30%，今年隨著LED產業迅猛發展，芯片市場已供不應求。今年，我國芯片總需求已經達到500億美元，成為全球最大的集成電路市場之一。

 

我國微電子技術產業現狀：在2006年8月及10月海力士意法在無錫建成8英寸和12英寸芯片生產線之后，2007年迅速達產，從而拉動了國內芯片制造業整體規模的擴大。在此基礎上，2008年海力士意法又繼續實施第二期工程，將12英寸生產線產能擴展至每月8萬片。此外，國內還有多條集成電路芯片生產線正處于建設或達產過程中，其中12英寸芯片生產線已成為投資熱點。

 

中芯國際在成都的8英寸生產線建成投產，緊接著在武漢的12英寸芯片制造企業——武漢新芯集成電路制造有限公司也建成投產;華虹NEC二廠8英寸生產線建成投產;英特爾投資25億美元在大連的12英寸芯片制造廠投產：臺灣茂德也投資9.6億美元在重慶建設8英寸生產線;中芯國際投資12億美元在上海的12英寸生產線正式運營。中芯國際宣布正在深圳建設8英寸和12英寸生產線，英特爾支持建設的深圳方正微電子芯片廠二期工程已竣工。

 

隨著這些新建和擴建生產線新增產能的陸續釋放，我國芯片制造業的規模將繼續快速擴大。北京京東方月生產9萬片玻璃基板的液晶生產8.5代線今年即將投產。在封裝測試領域，中芯國際和英特爾在成都的封裝測試企業建成投產，江蘇長電科技投資20億元建設的年產50億塊集成電路的新廠房在使用，三星電子(蘇州)半導體公司的第二工廠投產。

 

飛思卡爾、奇夢達、RFMD、瑞薩、日月光和星科金朋等多家企業也分別對其在中國大陸的封裝測試企業進行增資擴產。此外，松下投資100億日元在蘇州建設半導體封裝新線投產;意法半導體投資5億美元在深圳龍崗建設封裝工廠。這些新建、擴建項目成為近期拉動我國集成電路封裝測試業繼續快速增長的主要力量。

 

從產業的市場層面看：英特爾、三星、德州儀器、Renesas公司、東芝公司、ST微電子公司、英飛凌、NEC、摩托羅拉和飛利浦電子公司，為世界較大的半導體生產商。領導我國微電產業主流的企業主要分布在以上海為中心的“長三角”地區、以北京為中心的京津環渤海灣地區和以深圳為中心的“珠三角”地區，代表是：上海廣電集團有限公司、北京東方電子集團股份有限公司、深圳天馬有限公司等。

 

毋庸置疑，微電子產業投資巨大，產業規模發展迅速，發展前景無限廣闊。

 

3.微電子產業的發展為中等職業學校微電子專業打開就業市場

 

國內現有的集成電路生產線的生產能力和技術水平正迅猛擴大和提升。企業通過加強工藝技術、生產技術的研究開發和改造，加快現有生產線的技術升級，形成規模生產能力，提高產品技術水平，擴大產品品種，替代進口。因而，用工需求量大，技術工人市場前景也隨之向好。近年來，我國職業教育實現了跨越式發展，適應企業的發展需要培養技術技能型人才成為中等職業教育的出發點。

 

目前，全國設有電子科學與技術相關專業的高等院校有一百多所，在校學生估計超過5萬人。本專業設有專科、本科和研究生教育三個層次。專業的發展現狀良好，主要表現在：規模在逐年擴大，開設此專業的學校和招生人數都在增加;專業畢業生的就業率相對較高。這是與微電子技術產業的穩步發展相適應的。

 

然而，我們應該看到，不同層次的人才對應著不同層次的社會需求。高等教育的目的是為國家培養出具有良好的思想道德素質、扎實的基礎理論知識、寬廣的科學技術知識面、良好的創新意識和創新能力的高素質人才，而隨著集成電路、液晶、有機薄膜發光及太陽能電池等信息產業投產規模的不斷擴大，從事基本勞動的產業技術工人需求量也在大幅增加，目前很多企業正處在“用工荒”。這給職業教育開設微電子技術專業帶來的契機，我們必須牢牢抓住這個契機，為社會培養合格的技術工人，適應企業的發展。

 

4.突出職教特色，校企結合開設課程

 

合格人才的培養不是一個孤立的事件，而是一個復雜的工程，它既是專業知識的培訓過程又是思想道德素質的提高過程;它要求學校要適應產業發展需要，培養的學生既要有專業技能又要腳踏實地：既要有“教方”教改的靈活變化，更要有“學方”學習內容的切合實際。

 

這些決定教育質量和產業發展的環節相輔相成、缺一不可。電子科學與技術專業的教育質量、規模、結構和市場的關系是一種相互制約、相輔相成的辯證關系。教學必須適應生產力的發展需要，課程設置、專業規模和結構必然受到行業市場冷熱的影響。就學校而言，教育質量除了受到教師、教材、課程、授課方式等純教學因素的影響之外，同時受到產業規模和結構的制約，課程結構設置要和企業需求密切結合。

 

課程設置中：明確設課目的。明確基礎課、實訓課之間的學時比例，要了解社會需求對課程的模式、培養方向起到決定性作用。起點不同的學生技術專業也應定位在不同的培養層次上。

 

一般來講，高中畢業起點的學生課程選擇應該在對材料生長的了解、清洗工藝、凈化及器件工藝的學習掌握;初中起點學生的培養目標是普通型工人，學校的辦學目標不能一刀切，應根據需求分出層次。內容應根據市場需求，不能盲目制定教學計劃而脫離實際，要大膽結合企業用工需求，培養稱職的技術工人。

 

教學環節中：在目前的社會環境和市場調節的作用下，如何提高教學質量是一個重大和綜合性的課題。影響教學質量的校內要素是“教”與“學”，“教方”的要素有：教師隊伍、課程設置、教材選擇、教學方式;“學方”的要素是學習目的、上課態度。

 

在這些方面存在著：教方能否真正及時了解和掌握市場信息，教師有沒有適應市場需求的教學能力;課程設置能不能和學生的接受能力吻合，既要按需設課也要“因人設課”，實驗和實習環節不能流于形式：教材選擇和講授內容既要按照統一標準，又要“因人施教”、“因需施教”;教學方式達到在不偏離教學要求前提下的多樣化：以寬進嚴出的原則對待學生、教授知識。

 

從“教”與“學”兩個方面來抓“質量”：首先，必須重視教師隊伍的建設，注重教師的基本素質，如思想品德、敬業和專業知識面等;其次應該注重教師的再學習，這包括教授課程的學習與拓寬，要掌握捕捉微電子學科發展的洞察力和知識的更新能力;其次，隨著電子科學與技術的不斷發展，應該注重課程設置的不斷更新和調整;第三，課程設置必須同樣注重教學和實驗兩個環節，加強實驗教學環節;帶學生多參加實訓，對于培養學生的接受、掌握專業知識和動手能力非常必要;即課堂與課下相結合、講課與實驗相結合、平時與考試相結合。

 

從前面國內外電子科學與技術行業的現狀和發展趨勢來看，美國、西歐、日本、韓國、臺灣地區的電子科學與技術產業早已完成飛速發展的上升期，進入穩步而緩慢的平臺。而我國隨著市場開放和外資的不斷涌入，電子科學與技術產業正突飛猛進、煥發活力。今后我國電子科學與技術產業還將有明顯的發展空間，高科技含量的自主研發的產品將會占領全球主導市場，隨著社會需求逐步擴大，微電子技術專業的就業前景十分看好。

 

目前，市場對從事此類工作的工人需求是供不應求的，呈現“用工荒”狀態，而且真正經過專業培訓的合格技術工人幾乎很難找到，農民工缺乏相應的技術不能滿足像因特公司、京東方、上廣電、大連路明集團、久久光電這些科技產業的用工需要，從這一點來看，企業急需具有一定技術技能型的工人來充實一線生產。因此，今后幾年內，職業教育應該注重微電子技術專業領域人才的培養。

第4篇：半導體芯片原理范文

關鍵詞：DSP；TMS320F2812；半導體激光器；恒流源

引言

目前，半導體激光(LD)已廣泛應用于通信、信息檢測、醫療和精密加工與軍事等許多領域。激光電源是激光裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接影響到整個激光器裝置的技術指標。本設計采用受DSP控制的恒流源來為半導體激光器提供電流，在電路中，利用負反饋原理，控制復合功率調整管輸出電流，以達到穩定輸出電流的目的。該系統采用電路設計和程序控制算法設計相結合的方法，從多方面對半導體激光器的工作狀態進行實時檢測和控制，使系統的性能得到很大的改善和提高，有效解決了半導體激光器工作的準確、穩定和可靠性問題，進一步提高了半導體激光器的輸出指標。

系統原理

要使激光器輸出穩定波長的激光，則要求流過激光器的電流非常穩定，所以供電電路選擇低噪聲、穩定的恒流源。恒流源電流可以在0A～3A之間連續可調，以適應不同規格的激光器。目前，半導體激光器電源的二次開發中一般采用的都是純硬件電路系統或者單片機控制。隨著嵌入式微處理器的迅猛發展，基于DSP的數字化控制能更有效地解決半導體激光工作的穩定、準確和可靠性問題。DSP二次開發的原理如圖1所示。

由DSP輸出的電壓控制信號輸出給運放，經運算放大器放大后輸出，來控制由三極管8050和調整管TIP122組成的復合調整管。調整管的發射極串聯一個繼電器和一個大功率采樣電阻。從采樣電阻的兩端取電壓信號送給差分放大電路U2，從而得到取樣電阻上的電壓。

該路電壓信號通過一個電壓跟隨器，進入由DSP控制的ADC的模擬信號輸入通道，由ADC將輸入的模擬信號轉換為數字信號，再由DSP將轉化的數字信號進行數據處理。取樣電阻選擇0．15Ω的大功率金屬膜電阻，該電阻要求有較好的溫度系數。運算放大器U1的放大倍數決定電流的控制精度，放大倍數越小，電流的輸出精度越高。同時差分反饋電路U2的放大倍數也將影響電流的控制精度，其放大倍數越大，電流的穩定度越高，但電流的輸出范圍變小。在控制電壓一定的情況下，準確選擇運算放大器U 1的倍數和差分反饋電路U2的放大倍數，將成為決定恒流源的電流輸出精度和電流輸出范圍的重要因素。

TMS320F2812控制系統

該設計電路以數字信號處理器TMS320F2812為核心。該電源由控制電路、保護電路和主回路等幾部分組成，DSP在其中起核心作用。其控制任務主要為：

1．控制數據采集系統。利用DSP芯片自帶的12位ADC，根據采樣信號經過PID運算處理后進行控制。數據轉換啟動命令由F2812的引腳XF控制，即通過軟件設置引腳XF為高電平，來控制ADC的數據

轉換。數據轉換完成后，信號BUSY將變為低電平，觸發F2812中斷，將數據從16位數據線D[15：0]立即讀出。該系統的數據碼為二進制補碼，F2812將接收到的數據處理后，進行緩存，同時送到LCD實時顯示。

2．采用一片DAC7724芯片與DSP接口。該芯片為4通道12路雙緩沖的DAC，用其中的2路設定輸出電壓基準和電流最大值限制基準。

3．人機接口電路。LCD和8279分別作為外部I／O設備與DSP相連。LCD用來顯示電流、電壓、功率，以及故障顯示和報警。

4．故障檢測。故障檢測電路的中斷信號輸入到DSP的XINT2腳，如果有下降沿的中斷產生，則通過GPIO口線GPl08和GP109，分別檢測過壓、過流信號。

數字濾波器及系統軟件設計

數字濾波器設計

針對本項目以往開發過程中對電流濾波設計存在的不足，現引進基于TMS320F2812的數字濾波器對電流采樣信號進行濾波。為了快速方便地設計濾波器，直接利用TI公司提供的filter library函數庫進行設計。設計步驟如下：按照實際任務要求，確定濾波器性能指標；在Matlab中，調用filterlibrary庫中的ezfir函數，進行仿真；根據仿真結果，確定各參數的值；調用filterlibrary庫中的filter．asm DSP匯編程序模塊，并把Matlab中的仿真參數值復制到程序中，在F2812上實現濾波。

系統軟件設計

系統工作流程如圖2所示。上電以后，系統開始自檢，自檢完成后，進入系統初始化，包括DSP、DAC、LCD，以及DSP內部的中斷控制器和計數器等。系統準備好后，進入開機畫面。開啟鍵盤中斷等待按鍵選擇相應功能。若“參數設定”為選中狀態，按下工作鍵，進入“參數設置”界面，可以對電壓、電流和功率值進行設定。設定完成返回開機畫面，啟動激光器工作。系統進入運行狀態后，用戶仍然可以在不終止激光器工作的情況下設置新值，設定完備后，激光器按新要求輸出激光。

系統自檢和控制過程中出錯或系統過流、過壓時，會自動調用保護程序。當系統關閉或突然斷電時，為防止激光器兩端電壓驟降為零，系統采取滿關閉方法，其原理是：將采樣值逐步輸出降低，直到降為零才允許關機。

結語

第5篇：半導體芯片原理范文

關鍵字：探針痕跡；探針；焊接點；晶圓；芯片

1 影響針痕深度的主要探針卡技術指標

1.1 針尖的壓力

探針的針壓系數是指描述探針作用于測試點上時，單位下移度下所施加的壓力大小。針壓系數大小是判斷探針性能的重要指標，也對針痕的深度有著重要影響。針壓過大迫使芯片焊接點單位面積所承受的壓力過大，針痕深度就越深，探針扎穿焊接點的可能性越大，造成芯片不良和報廢等重大質量事故。

1.2 針尖的直徑

根據芯片焊接點的大小，探針直徑也會被設計為更適應焊接點的大小，工業上規定針尖直徑要小于焊接直徑的二分之一。針尖直徑對針尖壓力有直接的影響，針尖直徑太大，單位面積焊點收到的壓力越小，接觸焊點不充分會導致電性測試失真導致良品率下降；相反，針尖直徑太小，更加容易扎穿芯片上焊點，暴露底層電路后最終導致產品報廢。

1.3 探針卡類型

探針卡大致可分為兩種：懸臂型探針卡和垂直型探針卡。懸臂型探針在接觸芯片焊點后會發生一定位移，從而在焊點處呈現帶有一定滑動的長橢圓形針痕；垂直型探針卡，顧名思義即以垂直的方向接觸芯片焊點，呈現圓形針痕且比懸臂型探針獲得更好的針痕形狀。對針痕深度的影響被施加在焊點上的距離所決定。

2 影響針痕深度的測試機臺參數

2.1 機臺精密度

眾所周知，在現代半導體行業的探針測試機臺中，根據光學和機械原理的不同，廠家的不同，不同型號的測試機臺對探針測試的影響也不盡相同。以Z軸移動精度舉例，有1um和5um為最小移動標準的差別，我們當然知道精度為1um的幾臺會比5um的更為精確，對針痕深度的控制更有把握。

2.2 機臺加速度

盡管測試機臺種類很多，但它們的共同之處就是都有加速度設置，這里的加速度包括機臺Z軸上升和下降中的加速度和減速度。速度的快慢不僅影響測試時間，也是針痕深度的至關重要因素，下圖利用DOE的方法，顯示了不同速度對測試時間和針痕深度的影響。

3 探針接觸芯片焊點的次數

3.1 多次復測

我們知道，晶圓測試的流程是復雜而精密的，它是晶圓制造的最后一道工序，晶圓制造測試完畢后，將被切割成一顆一顆獨立的芯片進行封裝，最后進行交付客戶前的最終測試。晶圓測試為封裝部門節省了很大一部分成本。因此，晶圓測試流程不單單僅有一次，這就意味著探針接觸焊點的次數不唯一，那么這時我們就需要知道芯片能夠承受多少次的接觸才不會被扎穿，這就需要我們進行一些DOE的試驗后，得出結論。而我們已經明確的是，盡量避免不必要的接觸，即：減少多次復測，保證一次測試的準確性。

3.2 Multi-site 并行測試探針卡的移動規則

并行測試值同一時間內完成同一晶圓上的多個芯片測試，能夠提高單位時間內的測試效率并降低成本。并行測試的優點顯而易見但它所帶來的一些負面影響也隨之而來，這就是增加了探針重復接觸焊點的次數。對于形狀為圓形的晶圓來說，晶圓邊緣是不完整的芯片或是硬度較大的硅材質，此時，探針接觸與不接觸這些邊緣芯片的移動規則不同。以3448個芯片的8英寸晶圓為例，采用8X4的32位并行探針進行測試，接觸與不接觸邊緣的移動步徑分別為137月175，其中被探針扎過次數最多的一個芯片共被接觸6次。由此而知，我們應該優先選擇接觸邊緣的方法測試，但同時也要考慮探針的材質和對探針的磨損。

4 環境溫度

半導體測試常有低溫，室溫，高溫等不同環境的測試，以確保芯片在不同環境下可以正常運行并確保芯片的穩定性。溫度的變化，必然使探針長度發生物理形變，溫度升高，針長變長，溫度達到設定溫度后，針長保持不變，從而保持正常測試。如不能保持穩定的環境溫度，會迫使探針在測試過程中發生突然的變形，導致探針痕跡異常，造成測試結果不準確，甚至芯片報廢的情況。因此，在這里，有三點需要特別注意：一、測試開始前，保證升降溫度充分到達設置溫度，待探針充分形變后穩定探針高度。二、測試過程中，保持穩定的溫度環境，一旦環境遭到破壞，請從新等待探針形變。三、測試結束后，如需將環境變回室溫，請確保探針形變結束再開始新的生產。

5 芯片焊點的厚度

隨著電子行業的迅猛發展，晶圓制造的趨勢也必定是向小而薄的方向發展。晶圓的制造需要一系列高精密高潔凈度高機械化的復雜工藝，度量單位往往以納米級計量，隨著消費者需求的提高，制造商們不斷的改變工藝追求創新，晶圓的厚度越來越薄，對于芯片焊點的厚度有了新的改變，這也必然對探針測試有了更大的挑戰。

綜上所訴，影響探針痕跡深度的因素有很多，對任何條件的改變都應考慮到其他方面的影響，這就要求技術者們必須綜合觀察，進行充分的試驗并利用六西格瑪原理對產品進行科學設計。

參考文獻

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[2]Keith B. Schaub， Joe Kelly. Production Testing of RF and System-on-a-Chip Devices for wireless Communications [M]. London， Artech House. Inc.2004

第6篇：半導體芯片原理范文

關鍵詞：增強/耗盡型pHEMT；幅相控制多功能；數控移相器；單刀雙擲開關；數控衰減器

中圖分類號：TN43 文獻標識碼：A

0.引言

近幾年多功能MMIC得到了較為廣泛的應用，其優點在于集成度高，可使接收或發射組件的可靠性和生產效率顯著提高。然而整機對功率、頻率及性能的不斷追求，對于多功能MMIC也面臨不小的挑戰。

本文基于GaAs E/D工藝設計并實現了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片對接收增益波動大采取了2bit微調數控衰減器的改善措施，實現了接收支路增益≥3dB，出1dB壓縮點≥1dBm； 發射支路增益≥5dB，輸出1dB壓縮點≥4dBm；移相RMS≤5°，衰減RMS≤0.6dB。

1.多功能MMIC的設計

多功能MMIC的設計包含：整體拓撲設計、開關設計、數控移相器設計、數控衰減器設計和放大器設計5個主要部分，然后通過仿真，版圖布局最終完成多功能MMIC的設計。

1.1 多功能MMIC的拓撲

該芯片采用拓撲結構如圖1所示，集成了3個放大器、6位數控移相器、6位數控衰減器、2位接收微調數控衰減器、4個單刀雙擲開關組合、16位并口驅動器。該電路特點：集成度高，隔離度高，功耗低。

1.2 開關的設計

開關在多功能MMIC中起到信號選擇導通的作用，用來控制信號的接收或發射鏈路，開關的插入損耗、速度及隔離度等指標的好壞直接影響多功能MMIC的指標。

開關的等效電路模型如圖2所示。其原理如下：通過調整Vgs的電壓來控制Rds、Cds的大小達到開關的開態或者關態。

目前流行的開關拓撲為串并聯結構如圖3所示，其特點：結構簡單、小型化、指標優秀。該芯片采用了串并聯結構。

通過調整V1、V2的電壓實現對收發通道的選擇。

1.3 數控移相器的設計

移相器在多功能MMIC中起到調相作用，用來控制雷達的方向角，移相器的調相精度直接影響多功能MMIC的指標。

其原理如下：通過控制開關，改變移相位為參考態或移相態，達到調相的目的。

目前比較常用的拓撲結構有加載線式、開關線式和高低通濾波器式。最為廣泛的是高低通濾波器式移相器，其特點集成度高，小型化，可做寬帶應用。本文的數控移相器為六位，最小步進5.625°，并由6個基本態組成（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°），基本態移相電路結構有如下幾種：

5.625°移相位采用圖4的并聯型結構，其結構簡單，損耗小。11.25°和22.5°采用圖5的單T型結構。 45°、90°和180°采用圖6的高低通型結構，其結構特點可大幅度減小芯片面積。同時該結構適用于大移相位，相移和插損在帶寬內波動幅度較小。

1.4 數控衰減器的設計

數字衰減器常用的拓撲結構有簡T型和π型，如圖7、圖8所示。單態衰減設計應盡量選擇損耗小、精度高、小型化的結構。本設計中0.5dB和1dB采用簡T電路結構，2dB、4dB、8dB采用π型電路結構，16dB采用兩個8dB結構串聯實現。數字衰減器的拓撲如圖9所示。

1.5 放大器設計

放大器在多功能MMIC中用于電路插入損耗的補償，同時具備一定的輸出功率，用來驅動發射通道后面的功率放大器。

在多功能MMIC中采用了寬帶反饋式單片放大器，電路拓撲結構如圖10所示。電路采用自偏壓結構，電源電壓+5V。基于GaAs大信號模型進行了電路匹配。在設計中重點關注了功率管源極的對地電容，其寄生效應會引起源極負反饋，通過電磁場仿真消除了此影響，并成功地應用在多功能MMIC中。

2.多功能MMIC的版圖設計

幅相控制多功能MMIC，采用軟件完成電路的仿真和整體版圖。設計數字移相器和數字衰減器的版圖中，重點考慮輸入輸出匹配，減小插損；對于駐波敏感的衰減態及移相態盡量周圍用地孔屏蔽，并放置于芯片中部位置。

先生成單功能版圖，包括開關、衰減器、移相器和放大器，然后在拼版到一起組成多功能版圖，利用電磁場仿真優化功能，改進多功能版圖布局，重點考慮減小各功能電路間的耦合、串擾、兼容等影響，同時改良布局達到縮小芯片尺寸的目的。

最后生成偏置版圖，主要為饋電、串并轉換等電路，饋電電路主要做好濾波功能，盡可能進行濾波組合，控制電壓重點做好過壓過流保護電路和防靜電保護電路，提高數字電路的可靠性。

3.工藝實現與測試

本文基于GaAs E/D工藝實現了幅相控制多功能MMIC。該工藝可實現微波電路和數字驅動電路一體化設計。流片完成的多功能MMIC照片如圖11所示，芯片最終尺寸為3.5mm×4.8mm。該芯片有收發公共端口（芯片左側）、發射輸出端口（芯片上側）、接收輸入端口（芯片下側），饋電及數控端口（芯片右側）。

通過矢量網絡分析儀和微波探針系統對多功能MMIC進行了圓片測試，主要電性能測試結果如圖12～圖15所示。加電+5V下靜態電流48mA，加電-5V下靜態電流13mA。

圖12為多功能MMIC在接收/發射狀態下的信號增益，在整個工作頻帶內發射增益大于5 dB，接收增益大于3 dB；接收/發射增益呈現正斜率2 dB。

圖13為多功能MMIC在接收/發射狀態下的信號輸出P-1dB，在整個工作頻帶內發射輸出P-1dB大于4 dBm，接收輸出P-1dB大于1 dBm。

圖14和圖15為多功能MMIC在接收/發射狀態下的移相64態RMS和衰減64態RMS，在整個工作頻帶內移相64態RMS最大5°，衰減64態RMS最大0.6dB。

結論

本文基于GaAs E/D工藝設計并實現了K波段幅相控制多功能MMIC。該芯片內部集成單刀雙擲開關、6位數控移相器、6位數控衰減器、2位接收微調數控衰減器、放大器和16位幅相控制并口驅動。該芯片收發狀態下移相64態RMS≤5°，衰減64態RMS≤0.6dB，尺寸為3.5mm×4.8mm。該芯片可用于微波收發組件，實現對接收和發射信號的幅相控制。

參考文獻

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第7篇：半導體芯片原理范文

關鍵詞：發光二極管；熒光燈

中圖分類號：J914 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

伴隨著全球節能減排的盛行,環保和節能成為市場熱點, 在此技術上我國也有了自己的技術和產業發展思路:抓住照明產業革命的歷史機遇,堅持政府引導,以企業為主體和市場化運作原則,以技術創新為核心,機制創新為保障,在解決市場繼續的產業化技術的同時,加大對重大關鍵技術研發的投入,集中力量,重點突破,實現跨越式發展。

一、發光二極管

發光二極管(LED),是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料,在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射,直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。 發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片,在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層,稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中,注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓,少數載流子難以注入,故不發光。目前,發光半導體材料主要由III-V族元素組成,例如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs),氮化鎵等等。

LED具有以下特性：

1、高效節能：以相同亮度比較3W的LED節能燈333小時耗1度電，而普通60W白熾燈17小時耗1度電，普通5W節能燈200小時耗1度電。

2、超長壽命：半導體芯片發光，無燈絲，無玻璃泡，不許震動，不易破碎，使用壽命可達五萬小時。

3、健康：光線健康光線中含紫外線和紅外線少，產生輻射少（普通等管線中含有紫外線和紅外線）。

4、綠色環保：不含汞等有害元素，利于回收，普通燈管中含有汞等元素。

5、保護視力：直流驅動，無頻閃（普通燈都是交流驅動，就必然產生頻閃）

6、安全系數高：所需電壓、電流較小，安全隱患小。

7、市場潛力大：低壓、直流供電，太陽能供電。

傳統的LED主要應用于信號顯示領域、建筑物航空障礙燈、航標燈、汽車信號燈、儀表背光照明，如今娛樂、建筑物室內外、城市美化、景觀照明中應用也越來越廣泛。但是目前LED光源的壽命還不能達到所標出的100，000小時，實際壽命約在50，000小時左右，這主要與其散熱方面的問題有關。在很小的空間里，隨著功率的加大，半導體組件就會過熱。再者，白色LED還不能達到普通燈泡所具有的亮度。

LED應用前景廣闊,就拿白光LED來講,不過在講白光LED之前,我們先看看目前所用的照明燈光源的狀況:白熾燈和鹵鎢燈,其光效為12 lm/W～24 lm/W;熒光燈和HID燈的光效為50 lm/W～120 lm/W。對白光LED:光效為15 lm/W～50 lm/W,比一般家用白熾燈或鹵鎢燈相近甚至還高,這完全能達到照明領域的需要。而且隨著LED照明的技術日趨完善,逐步發展到大功率的LED,采用大功率LED為光源,人的視覺效果柔和、均勻,并且大功率LED均采用恒流驅動,無頻閃,長時間工作環境下眼睛沒有疲勞感,是未來綠色照明產品。 眾所周知,目前中國能源日益緊缺,然而LED照明可大大達到節電目的,據有關資料理論測算,全國大概只要有1/3的白熾燈被LED燈取代,每年就能為國家節省用電近1 000億度,相當于一個三峽工程的年發電量。

二、熒光燈管的結構及其放電發光原理

熒光燈管，屬低壓氣體放電發光的新型電光源。因具有光效高、節能、顯色性能高等技術特點，被制做成U型管、螺旋管、環型管、細管徑直管等形狀的節能燈，廣泛地應用于室內外環境照明。

但是在實際照明中，熒光燈管的亮度會慢慢地變暗，照明質量降低。這種現象實際上就是熒光燈管光衰現象。

（一）熒光燈管分類：

1、熒光燈管按氣體放電性質來劃分：有熱陰極弧光放電型和冷陰極輝光放電型兩大類型。應用于照明領域的熒光燈管，都屬于熱陰極弧光放電型熒光燈管。

2、按管徑大小分

1）直管型熒光燈管按管徑大小分為：T12、T10、T8、T6、T5、T4、T3等規格。規格中“T+數字“組合，表示管徑的毫米數值。其含義：一個T=1/8英吋，一英吋為25.4mm；數字代表T的個數。如T12=25.4mm*1/8*12=38mm。

2）熒光燈管管徑與其電參數的關系：

①熒光燈管，管徑越細，光效越高，節電效果越好。

②熒光燈管，管徑越細，啟輝點燃電壓越高，對鎮流器技術性能要求越高。

管徑大于T8（含T8）的熒光燈管，啟輝點燃電壓較低。相對于220V、50Hz工頻交流電，符合啟輝點燃電壓小于1/2電源電壓定律。可以采用電感式鎮流器，進行啟輝點燃運行。

管徑小于T8的熒光燈管，啟輝點燃電壓較高。相對于220V、50Hz工頻交流電， 不符合啟輝點燃電壓小于1/2電源電壓定律。不能采用電感式鎮流器，進行啟輝點燃運行。管徑小于T8的熒光燈管，必須匹配電子式鎮流器。由電子式鎮流器，產生啟輝高壓，將熒光燈管擊穿點燃。爾后，由電子式鎮流器，驅動熒光燈管點燃運行。

（二）熒光燈管結構：熒光燈管有：玻璃管、燈頭、燈管陰極、發光熒光粉、放電氣體五大部分組成。

1)、玻璃管：玻璃管是熒光燈管的主體，也是熒光燈管的外殼。其內壁用于涂敷發光熒光粉。

2)、燈頭：燈頭主要用于固定支撐燈管陰極，和實現熒光燈管與燈架的電氣連接。

3)、燈管陰極：燈管陰極又有導絲、燈絲、電子粉三部分組成。燈管陰極主要功能，是預熱熒光燈管、發射電子、促使放電氣體電離，啟輝點燃熒光燈管。

4)、發光熒光粉：發光熒光粉主要是吸收紫外線，通過量子轉換，將紫外線輻射轉換為可見光。

5)、放電氣體：放電氣體由氪（Kr）、氬（Ar）和汞（Hg）惰性氣體組成。主要用于熒光燈管，通過氣體電離產生紫外線輻射。

（三）熒光燈管放電發光原理：

熒光燈管放電發光原理：熒光燈管通交流電后，由陰極燈絲產生交變電場。管內的汞（Hg）氣體，在交變電場和陰極燈絲發射的電子共同作用下。汞（Hg）氣體原子不斷地獲得能量，從原始基態被激發成激發態，而后由激發態返回到原始基態。汞（Hg）氣體在這個基態－激發態－基態，能量變換過程中。將交變的電場能量轉變為253.7nm的紫外線輻射（同時產生185nm的紫外線輻射）。熒光燈管內壁上的發光熒光粉，吸收253.7nm的紫外線輻射能量。通過量子轉換，將253.7nm紫外線輻射轉換為可見光。

第8篇：半導體芯片原理范文

關鍵詞：電容觸摸屏；投射式電容屏；高透過率；寬濕環境；抗沖擊性能；抗電磁干擾

中圖分類號：TM451 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）04-0041-03

現代的軍事作戰方式，需要的電子設備越來越多，環境也多在非常規情況，甚至極端惡劣，因此提高軍用電容式觸摸屏實用性、高穩定性及安全性至關重要。研發高透過率、寬溫工作、抗沖擊性能、抗電磁干擾性能以及安全保密性能優越的電容式觸摸屏產品，使之滿足軍工裝備的要求是本文介紹的重點，以下是針對軍事上這些使用需求展開的具體研究方案。

一、高透過率研究

高透過率是電容觸摸屏主要特征之一，采用光學薄膜干涉原理，同時在玻璃基板上鍍制一定膜系結構的納米光學多層膜，將玻璃可見光透過率由89%提高到96%以上，表面反射光由8%下降到2%以下，如雙面鍍制四層AR膜系，透光率可高達98%以上，反射率下降到1%以下，外強光下高透無反射，防眩光，有高清潤眼功能，同時也能改善觸摸屏蝕刻色差現象，這為緩解士兵視覺疲勞，提高作戰能力提供幫助。

高透過率研究方案：AR+ITO觸摸屏玻璃可以大幅度提高平板顯示器在強光環境中的對比度和清晰度，雙面AR鍍膜達到更高透過率。因此高透過率主要從工藝制程上分析：

雙面鍍AR膜流程圖：

制程過程中影響透過率的參數很多，面阻值=電阻比/膜厚，低面阻值ITO玻璃鍍膜，電阻比越低越好，ITO薄膜的導電性要好(面電阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度會降低，考慮高穿透率，膜厚的設計必須避免建設性的干涉，所以nd=(2m+1)λ/4，m=1，2，3，4…。另外基板溫度以及鍍膜中氧分壓的大小等各種參數相互影響相互制約，預研工作中將對其進行仔細分類，并逐一實驗研究。

二、寬溫環境下應用研究

在高溫環境下，一方面要選擇耐溫材料，另一方面需要針對自身熱源的散熱系統研究。電容觸摸屏的發熱部分在芯片以及身后液晶模塊組件，sensor本身沒有多少熱量，對于sensor來說，更多的需要去隔熱。關于散熱在設計時需要注意給其留一定的空間，利于

熱量的散發，最后有必要的話可以用單面銅膜覆蓋散熱。空氣有著非常好的隔熱性能，這樣需要在電容觸摸屏底部四周加隔熱橡膠，使其與下面的顯示屏或主機隔開，能有效阻止顯示屏或主機的熱量傳遞。另外，國外已經開發出一種新型半導體器件，能在加電的情況下產生制冷效果，目前還未普及，價格也非常昂貴。但是可以借鑒其理論自主

研發，將其運用在電容觸摸屏的抗高溫上。

在低溫下需要考慮的是加熱，加熱的途徑很多，電阻加熱、加熱板等，相對于抗高溫還是比較容易實現的。

寬溫應用研究方案：電容式觸摸屏在高低溫下應用，除了耐溫材料的選擇外，其中對FPC上散熱和加熱也是主要研究方向。散熱的實現主要是將熱量迅速傳導到大面積板上，擴大發熱面積。簡單地可以在芯片上覆蓋銅膜，擴大散熱面積。為更進一步適應軍事上的要求，可以采用半導體溫差電片給芯片散熱以及加熱。

半導體制冷片原理如圖2，在原理上，半導體的制冷片只能算是一個熱傳遞的工具，雖然制冷片會主動為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發熱量散發掉。在制冷片工作期間，只要冷熱端出現溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞，將熱量移動到熱端并通過散熱設備散發出去。因此，制冷片對于芯片來說是主動制冷的裝置，而對于整個系統來說只能算是主動的導熱裝置。所以需要將散熱端與外殼連接，利于散熱，使芯片脫離高溫環境。

半導體溫差電片件應用范圍有：制冷、加熱、發電，制冷和加熱應用比較普遍，在軍用其它方面：如導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統，將都會有一定的借鑒作用。

三、抗沖擊性能研究

電容觸摸屏表面貼合的Cover Lens采用高強度鋼化玻璃材料，提高抵抗撞擊能力，同時結合抗振動性能，可以緩沖表面撞擊，從而實現抗沖擊性能。

抗振動沖擊可以從硬性抗震動和柔性抗振動方面著手。所謂硬性抗振動，就是在電容觸摸屏與顯示屏或主機貼合時使用強力的粘合膠，使兩者牢牢地合在一起，當然也可以用其它包括螺絲等手段，目的是使電容觸摸屏與整機牢牢地結合在一起。優點是電容觸摸屏安裝簡易方便，缺點是整機在振動時，電容觸摸屏也隨之一起振動，不能對振動起到緩沖作用，在受到表面撞擊時也易損。所謂柔性抗振動，就是電容觸摸屏與整機之間有彈性的連接，在振動時兩者之間存在彈性形變，在停止振動后即無形變，這個彈性的形變可以忽略，不會對準確度產生影響。柔性抗振主要采用橡膠或者彈簧等材料實現。其優點是振動幅度比客戶端小，能緩沖振動，缺點是安裝比較繁瑣。

硬性抗振動和柔性抗振動各有其優點，各有其缺點，重點將兩者結合起來以實現各自優點，高強度鋼花玻璃材料和兩種抗振方式的結合是研究的重點。

抗沖擊性研究方案：從材料方面：高強度Cover Glass種類不同，效果不同。鋼化玻璃又稱強化玻璃。它是用物理的或化學的方法，在玻璃表面上形成一個壓應力層，玻璃本身具有較高的抗壓強度，不會造成破壞。當玻璃受到外力作用時，這個壓力層可將部分拉應力抵消，避免玻璃的碎裂，雖然鋼化玻璃內部處于較大的拉應力狀態，但玻璃的內部無缺陷存在，不會造在成破壞，從而達到提高玻璃強度的目的。

鋼化玻璃的抗彎強度比普通玻璃提高3倍，抗沖擊強度比普通玻璃提高4～6倍，熱穩定性比普通玻璃提高3倍多，因此，它在遭受外力時，不易破壞，即使被破壞時，它的碎片呈花生米似的小顆粒狀，沒有刃口，不會傷人，能達到安全的效果。當鋼化玻璃在Sensor上使用時，其抗風壓系數比普通玻璃大得多。

在層與層之間貼合是使用透明光學膠。貼合過程對環境要求很高，如果在貼合過程中有塵埃落入，那么就不能返修，整個屏就會報廢。我們對光學膠的貼合積累了豐富的經驗，能有效地解決此問題。

從結構方面，采用橡膠等軟性材料在產品周圍或其它部位做加固，同時利用外部整機結構做調整，提高產品抗振動性能。對整機產品的了解也是需要我們做的研究工作之一。

四、抗電磁干擾研究

電磁干擾對電容觸摸屏的影響主要有兩部分，分別是對Touch Sensor的干擾使得觸摸偏移和對電容觸摸IC的干擾使得芯片無法正常工作。

對Touch Sensor的電磁干擾，要求IC具有強有力的甄別信號能力，準確判斷是否受到電磁干擾，IC中倍壓電路設計尤為重要，在電流增加的情況下提高信號輸入可以有效降低Touch Sensor受到的電磁干擾。但同時功耗增加，這對于手持式等設備又是不利

因素。

對IC的電磁干擾，一方面要求自身的抗干擾能力，另一方面可以從結構上進行屏蔽設計研究。

抗干擾研究方案：在軍事作戰的惡劣氣候與復雜電磁環境下，為了提高產品的抗干擾性能，一方面在完成PCB印制電路板的過程中，要考慮到數字地與模擬地之間的干擾，以及對于芯片本身封裝的情況，要避免PCB板中走線之間的電磁干擾。在多層板中，模擬地和數字地應各占一層，同時對有可能造成相互干擾的信號線要采取走不同層的排版方法，這樣可以減少信號線之間的電磁干擾。對于一些硬件連接，走線間隔、走線角度都應注意，間隔不宜過窄，角度應避免直角和銳角；在芯片與芯片之間聯結時，還應注意輸出信號的電壓閥值和信號時序是否與另一芯片輸入信號相匹配。在很多情況下，為了濾除信號的噪音、高頻分量等干擾，還必須引入RC濾波電路，該電路中電容的選取也至關重要。

軟件設計采用以PSoC混合信號陣列架構為基礎，CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近電容的感應式。CSA感應方式具有好的抗干擾能力，高的探測靈敏度，同時可以調節分辨率。

五、設備安全性研究

軍事上對數據準確度及使用保密性的要求不同于民品，必須保證每次數據是正確的，并保證信息不外泄。基于此理念，正在積極研究軍用電容觸摸屏使用時具備應答校正功能，每次整機從芯片讀回數據，下一步整機再將讀回的數據再傳給電容觸摸芯片，電容觸摸芯片去校驗是否和剛才發送的數據一樣，并將是否一樣的結果再發送終端處理，這樣就完成了一個數據的讀取。同樣，每次整機往電容觸摸芯片發送數據，電容觸摸芯片隨之將收到的數據返回整機，并等待整機發來的校正結果，這樣就完成了一個數據的發送。這樣校正既可以確保數據的準確性，同時也實施了認證加密過程，雖然會損失一些時間，但在目前飛速發展的單片機環境下可以忽略。

設備安全加密方案：在電容觸摸屏芯片中，接口方式有I2C、SPI、USB等。以I2C為例來闡述加密

方案。

I2C接口返回的數值一般沒有同時發送校驗碼，這會造成客戶端讀取的數據無法校正正確性。故需要在芯片端增加校驗措施，能接受數據并進行校正，并能發送數據并發送校驗碼。

I2C總線一個完整的數據傳輸過程，包括：起始信號、尋址字節、應答、數據字節、應答、數據字節、應答直到停止信號。其中，尋址字節高7位為地址，最低位為讀寫控制(1表示讀，0表示寫)。總線發送順序是由高到低，即首先發送高位，再發送低位。鑒于數據安全性考慮，需要在電容觸摸芯片中增加數據校驗的功能，可以采用CRC或奇偶等校驗法。使電容觸摸芯片能在接受數據后按校驗算法進行校驗，緊接著核對接收到的校驗碼，核對后將結果發送給客戶端，客戶端根據結果進行下一個指令的發送或者重新發送本次指令。同樣的，在電容觸摸芯片向客戶端發送數據后能發送校驗結果，用于客戶端的數據校驗。

客戶端向電容觸摸芯片發送指令的原理步驟：

第1步。客戶端通過I2C發送數據，并按一定策略獲得校驗碼，并保存結果。

第2步。客戶端通過I2C總線將校驗碼傳給電容觸摸芯片，同時電容芯片用相同校驗算法進行校驗。

第3步。電容觸摸芯片將計算出的校驗碼和接收到的校驗碼核對，并將結果發送給客戶端。

第4步。客戶端對比兩端的校驗結果，判斷校驗是否通過。流程圖如圖3所示：

客戶端從電容觸摸芯片讀取數據是以上流程的逆向思維，原理類似，通過引入I2C的校驗措施，有效增強了系統安全性，杜絕了傳輸數據出錯。

六、結語

電容式觸摸屏高穩定性能的研究方案，主要通過材料結構工藝以及軟件設計方面，制定多項材料搭配與工藝流程方案，并制作多組與之對應的樣品，通過實驗室模擬作戰中面對的各種復雜惡劣環境，測試多組產品在不同惡劣環境下的性能表現，統計分析技術參數的變化，進行優化產品。

參考文獻

[1] PSoC 體系結構與編程: 戴國駿 張翔 曾虹 ITO導電玻璃及相關透明導電膜之原理及應用[M]．中國科學技術出版社， 2005.

第9篇：半導體芯片原理范文

【關鍵詞】速熱脫氣 STM32 真空脫氣

【關鍵詞】速熱脫氣 STM32 真空脫氣

1 引言

隨著新增了《0931 溶出度與釋放度測定法》的2015版《中國藥典》，市場對藥物溶出設備的需求越來越多，而藥物溶出所要使用的純化水必須經過脫氣處理，從而使得快速而高效的真空脫氣設備也有了廣泛的前景。目前市面上的真空脫氣設備，多以儲罐式為主，都采用加熱，循環，抽真空等方式，需要反復循環，脫氣時間較長，一旦容量用完則需要重新準備。對于一次性需要大量純化水的場所，該種方式就存在缺陷。本系統主要介紹了一種能快速加熱脫氣，脫氣效率高，無限量供應的系統。

2 系統的原理及構成

2.1 系統原理

本系統采用加熱與脫氣膜相結合的方法進行脫氣，利用脫氣膜的擴散原理將水中的氣體去除。工作時，水流在一定的壓力下從脫氣膜里面通過，而膜外面在真空泵的作用下將氣體不斷的抽走，并形成一定的負壓，這樣水中的氣體就不斷從水中經脫氣膜向外溢出，從而達到去除水中氣體的目的。而在水進入脫氣膜前就預先加熱，使得氧氣在水中的溶解度降低，增加了脫氣效果的有效性。系統原理圖如圖1。

2.2 系統構成

本系統系統主要有脫氣單元、快速加熱單元、檢測與控制單元和人機界面單元組成。

2.2.1 脫氣單元

該單元的材料選型是個關鍵，本系統選用聚丙烯中空纖維膜，利用該材料的疏水特性，即水不能透過膜壁，而氣體可以透過膜壁而改變氣體在水中的溶解度。該材質溫度耐受范圍可以達到0～90℃，使用PH范圍1～14，具有較高的化學穩定性，不會對水質產生影響，然后根據水通量、孔隙率和透氣率來選擇規格尺寸。

2.2.2 快速加熱單元

該單元是采用陶瓷半導體PTC材料作發熱體，陶瓷PTC 熱敏電阻通過摻雜一種化學價較高的材料后，得到了一定數量產生導電性的自由電子。利用其半導體空穴原理，實現電子氧空位，促使電子在場強條件下產生碰撞，使電能轉化為熱能徹底的水電分離技術。其特點是：真正水電分離、使用安全、熱效率高、經久耐用、無明火、耐酸堿等。

2.2.3 檢測與控制單元

該單元的主芯片選用意法半導體（STMicroelectronics）STM32F103VCT6作為核心的處理器，主要完成流速、溫度、真空度檢測，AD轉換，通過邏輯分析、判斷，輸出快速加熱單元的PID恒溫控制信號、真空泵啟停控制信號和電磁閥開合控制信號，同時，顯示系統運行狀態，實現人機界面的顯示和輸入。檢測與控制單元框圖如圖2。

本系統分別采用FS21-VL1-300，PT100，MPX2100DP 等檢測元件和傳感器，對系統的流速、溫度和真空度進行采樣，信號經過放大和濾波后，使用STM32自帶的12位AD進行數模轉換，從而得到相應的參數，再根據這些參數對相關部件進行控制。

同時，在根據液體的流速、液體的比熱和入口液體溫度范圍和液體加熱目標溫度范圍等條件，選定加熱器的功率后，需要對其進行精準控溫，使出口水溫符合藥典中溶出度試驗要求的溫度。本系統采用可控硅調壓電路，市電經過降壓以后，通過過零檢測電路，獲得一個交流過零中斷給STM32，而STM32根據該中斷，通過PID算法，計算出可控硅的導通角時間后，啟動內部定時器，調整定時時間來開通可控硅，來進行調節控溫。

當系統各參數符合特定要求時，將實現純化水只需一次流過，就能高效脫氣，無需循環多次，省時、省力、提高工作效率。

2.2.4 人機界面單元

本系統采用7寸TFT和4線制電阻屏作為最終人機界面單元。單元內部采用ALTERA公司的MAXII CPLD EPM570T144 搭配Winbond公司的W9846G6JH SDRAM的方式驅動RGB接口顯示屏，在STM32的16位并行總線接口與RGB接口之間實現轉換的同時還提供了一系列實用功能，工作穩定性方面本模塊具備超強抗干擾能力，遠遠超越市場上的SSD1963驅動方案，SSD1963抗干擾差，有死機白屏的風險。

觸摸輸入上采用4線制電阻屏，雖然現在市場上電容屏已經得到了廣泛的運用，但是考慮到本系統服務的對象多為藥檢所、藥廠、化工廠等的檢驗部門，操作員一般都需要戴手套操作，且容易有液體濺在屏上，目前市面上可以帶手套操作的電容屏有限，對所使用的手套也有一定的要求，所以綜合考慮，還是選用壓觸方式的電阻屏比較適合。本系統采用XPT2046四線制電阻觸摸屏控制芯片，內含12位分辨率125KHz轉換速率逐步逼近型A/D轉換器，采用 SPI 3線制接口與STM32通信。

3 系統軟件開發環境及結構

3.1 軟件開發環境

系統控制軟件的開發采用IAR Embedded Workbench for ARM集成開發環境，其集成編輯、編譯、鏈接、軟件仿真、硬件調試等功能于一體，是一個易用、高效的軟件開發環境。

3.2 軟件結構設計

（1）本系統采用ST官方提供的固件函數庫V3.50，該函數庫是一個固件函數包，它由程序、數據結構和宏組成，包括了微控制器所有外設的性能特征。通過使用本固件函數庫，無需深入掌握細節，用戶也可以輕松應用每一個外設。因此，使用本固態函數庫可以大大減少用戶的程序編寫時間，進而降低開發成本。

（2）界面顯示則采用UCGUI方式來開發，UCGUI是一種嵌入式應用中的圖形支持系統。它設計用于為任何使用LCD圖形顯示的應用提供高效的獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，它適用單任務或是多任務系統環境，并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實顯示或虛擬顯示。它的設計架構是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成，由一個LCD驅動層來包含所有對LCD的具體圖形操作。

在完成UCGUI在STM32芯片上的移植后，就是各驅動模塊設計，包括使用STM32的FSMC功能配合CPLD的實現TFT屏顯示；使用SPI接口對觸摸屏的坐標定位；使用內部AD進行對純化水的溫度、流速，脫氣單元的真空度等參數進行轉換；使用過零中斷和PID算法對快速加熱單元進行精準控溫；使用GPIO口配合驅動電路控制電磁閥從而改變純化水流路。

4 結論

基于STM32的速熱真空脫氣系統，可用于藥物研究、制藥、化工等行業，完全符合《中國藥典》的規定，解決了已有的對真空脫氣處理的技術中存在的效率低下、脫氣效果差以及成本偏高的問題，可代替人工煮沸法和其他的脫氣方法，省時、省力，提高工作效率。

參考文獻

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[3]劉波文.ARM Cortex-M3應用開發實例詳解[M].北京：電子工業出版社，2011（02）.

[4]意法半導體.STM32中文參考手冊（第10版）[Z].意法半導體（中國）投資公司，2010.