【关键词】电子信息科学与技术微电子课程体系建设教学改革
【基金项目】大连海事大学教改项目：电子信息科学与技术专业工程人才培养实践教学改革（项目编号：2016Z03）；大连海事大学教改项目：面向2017级培养方案的《微电子技术基础》课程教学体系研究与设计（项目编号：2016Y21）。
【中图分类号】G42【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2018）01-0228-02
1.開设《微电子技术基础》的意义
目前，高速发展的集成电路技术产业使集成电路设计人才成为最抢手的人才，掌握微电子技术是IC设计人才的重要基本技能之一。本文希望通过对《微电子技术基础》课程教学体系的研究与设计，能够提高学生对集成电路制作工艺的认识，提高从事微电子行业的兴趣，拓宽知识面和就业渠道，从而培养更多的微电子发展的综合人才，促进我国微电子产业的规模和科学技术水平的提高。
2.目前学科存在的问题
目前电子信息科学与技术专业的集成电路方向开设的课程已有低频电子线路、数字逻辑与系统设计、单片机原理、集成电路设计原理等。虽然课程开设种类较多，但课程体系不够完善。由于现在学科重心在电路设计上，缺少对于器件的微观结构、材料特性讲解[1]，导致学生在后续课程学习中不能够完全理解。比如MOS管，虽然学生们学过其基本特性，但在实践中发现他们对N沟道和P沟道的工作原理知之甚少。
近来学校正在进行本科学生培养的综合改革，在制定集成电路方向课程体系时，课题组成员对部分学校的相关专业展开调研。我们发现大部分拥有电子信息类专业的高校都开设了微电子课程。譬如华中科技大学设置了固体电子学基础、微电子器件与IC设计、微电子工艺学以及电子材料物理等课程。[2]又如电子科技大学设置了固体物理、微电子技术学科前沿、半导体光电器件以及高级微电子技术等课程。[3]因此学科课题组决定在面向2017级电子信息科学与技术专业课程培养方案中，集成电路设计方向在原有的《集成电路设计原理》、《集成电路设计应用》基础上，新增设《微电子技术基础》课程。本课程希望学生通过掌握微电子技术的原理、工艺和设计方法，为后续深入学习集成电路设计和工程开发打下基础。
3.微电子课程设置
出于对整体课程体系的考虑，微电子课程总学时为32学时。课程呈现了微电子技术的基本概论、半导体器件的物理基础、集成电路的制造工艺及封装测试等内容。[4]如表1所示，为课程的教学大纲。
微电子技术的基本概论是本课程的入门。通过第一章节的学习，学生对本课程有初步的认识。
构成集成电路的核心是半导体器件，理解半导体器件的基本原理是理解集成电路特性的重要基础。为此，第二章重点介绍当代集成电路中的主要半导体器件，包括PN结、双极型晶体管、结型场效应晶体管（JFET）等器件的工作原理与特性。要求学生掌握基本的微电子器件设计创新方法，具备分析微电子器件性能和利用半导体物理学等基本原理解决问题的能力。
第三章介绍硅平面工艺的基本原理、工艺方法，同时简要介绍微电子技术不断发展对工艺技术提出的新要求。内容部分以集成电路发展的顺序展开，向学生展示各种技术的优点和局限，以此来培养学生不断学习和适应发展的能力。
第四章围绕芯片单片制造工艺以外的技术展开，涵盖着工艺集成技术、封装与测试以及集成电路工艺设计流程，使学生对微电子工艺的全貌有所了解。
4.教学模式
目前大部分高校的微电子课程仍沿用传统落后的教学模式，即以教师灌输理论知识，学生被动学习为主。这种模式在一定程度上限制了学生主动思考和自觉实践的能力，降低学习兴趣，与本课程授课的初衷相违背。[5]为避免上述问题，本文从以下几个方面阐述了《微电子技术基础》课程的教学模式。
教学内容：本课程理论知识点多数都难以理解且枯燥乏味，仅靠书本教学学生会十分吃力。因此，我们制作多媒体课件来辅助教学，将知识点采用动画的形式来展现。例如可通过动画了解PN结内电子的运动情况、PN结的掺杂工艺以及其制造技术。同时课件中补充了工艺集成与分装测试这部分内容，加强课堂学习与实际生产、科研的联系，便于学生掌握集成电路工艺设计流程。
教学形式：课内理论教学+课外拓展。
1）课内教学：理论讲解仍需教师向学生讲述基本原理，但是在理解运用方面采用启发式教学，课堂上增加教师提问并提供学生上台演示的机会，达到师生互动的目的。依托学校BBS平台，初步建立课程的教学课件讲义、课后习题及思考题和课外拓展资料的体系，以方便学生进行课后的巩固与深度学习。此外，利用微信或QQ群，在线上定期进行答疑，并反馈课堂学习的效果，利于老师不断调整教学方法和课程进度。还可充分利用微信公众号，譬如在课前预习指南，帮助学生做好课堂准备工作。
2）课外拓展：本课程目标是培养具有电子信息科学与技术学科理论基础，且有能力将理论付诸实践的高素质人才。平时学生很难直接观察到半导体器件、集成电路的模型及它们的封装制造流程，因此课题组计划在课余时间组织同学参观实验室或当地的相关企业，使教学过程更为直观，加深学生对制造工艺的理解。此外，教师需要充分利用现有的资源（譬如与课程有关的科研项目），鼓励学生参与和探究。
考核方式：一般来说，传统的微电子课程考核强调教学结果的评价，而本课程组希望考核结果更具有前瞻性和全面性，故需要增加教学进度中的考核。课题组决定采用期末笔试考核与平时课堂表现相结合的方式，期末笔试成绩由学生在期末考试中所得的卷面成绩按照一定比例折合而成，平时成绩考评方式有随堂小测、课后习题、小组作业等。这几种方式将考核过程融入教学，能有效地协助老师对学生的学习态度、学习状况以及学习能力做出准确评定。
5.结语
关键词：电子科学与技术；实验教学体系；微电子人才
作者简介：周远明（1984-），男，湖北仙桃人，湖北工业大学电气与电子工程学院，讲师；梅菲（1980-），女，湖北武汉人，湖北工业大学电气与电子工程学院，副教授。（湖北武汉430068）
中图分类号：G642.423文献标识码：A文章编号：1007-0079（2013）29-0089-02
电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此人才培养必须坚持“理论联系实际”的原则。专业实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节，对于学生综合素质的培养具有不可替代的作用，是高等学校培养人才这一系统工程中的一个重要环节。[1，2]
一、学科背景及问题分析
1.学科背景
21世纪被称为信息时代，信息科学的基础是微电子技术，它属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。微电子技术一般是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。[3]由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路，因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术，是信息社会的基石。此外，从地方发展来看，武汉东湖高新区正在全力推进国家光电子信息产业基地建设，形成了以光通信、移动通信为主导，激光、光电显示、光伏及半导体照明、集成电路等竞相发展的产业格局，电子信息产业在湖北省经济建设中的地位日益突出，而区域经济发展对人才的素质也提出了更高的要求。
湖北工业大学电子科学与技术专业成立于2007年，完全适应国家、地区经济和产业发展过程中对人才的需求，建设专业方向为微电子技术，毕业生可以从事电子元器件、集成电路和光电子器件、系统（激光器、太能电池、发光二极管等）的设计、制造、封装、测试以及相应的新产品、新技术、新工艺的研究与开发等相关工作。电子科学与技术专业自成立以来，始终坚持以微电子产业的人才需求为牵引，遵循微电子科学的内在客观规律和发展脉络，坚持理论教学与实验教学紧密结合，致力于培养基础扎实、知识面广、实践能力强、综合素质高的微电子专门人才，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。
2.存在的问题与影响分析
电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此培养创新型和实用型人才必须坚持“理论联系实际”的原则。要想培养合格的应用型人才，就必须建设配套的实验教学平台。然而目前人才培养有“产学研”脱节的趋势，学生参与实践活动不论是在时间上还是在空间上都较少。建立完善的专业实验教学体系是电子科学与技术专业可持续发展的客观前提。
二、建设思路
电子科学与技术专业实验教学体系包括基础课程实验平台和专业课程实验平台。基础课程实验平台主要包括大学物理实验、电子实验和计算机类实验；专业课程实验平台即微电子实验中心，是本文要重点介绍的部分。在实验教学体系探索过程中重点考虑到以下几个方面的问题：
第一，突出“厚基础、宽口径、重应用、强创新”的微电子人才培养理念。微电子人才既要求具备扎实的理论基础（包括基础物理、固体物理、器件物理、集成电路设计、微电子工艺原理等），又要求具有较宽广的系统知识（包括计算机、通信、信息处理等基础知识），同时还要具备较强的实践创新能力。因此微电子实验教学环节强调基础理论与实践能力的紧密结合，同时兼顾本学科实践能力与创新能力的协同训练，将培养具有创新能力和竞争力的高素质人才作为实验教学改革的目标。
第二，构建科学合理的微电子实验教学体系，将“物理实验”、“计算机类实验”、“专业基础实验”、“微电子工艺”、“光电子器件”、“半导体器件课程设计”、“集成电路课程设计”、“微电子专业实验”、“集成电路专业实验”、“生产实习”和“毕业设计”等实验实践环节紧密结合，相互贯通，有机衔接，搭建以提高实践应用能力和创新能力为主体的“基本实验技能训练实践应用能力训练创新能力训练”实践教学体系。
第三，兼顾半导体工艺与集成电路设计对人才的不同要求。半导体的产业链涉及到设计、材料、工艺、封装、测试等不同领域，各个领域对人才的要求既有共性，也有个性。为了扩展大学生知识和技能的适应范围，实验教学必须涵盖微电子技术的主要方面，特别是目前人才需求最为迫切的集成电路设计和半导体工艺两个领域。
第四，实验教学与科学研究紧密结合，推动实验教学的内容和形式与国内外科技同步发展。倡导教学与科研协调发展，教研相长，鼓励教师将科研成果及时融化到教学内容之中，以此提升实验教学质量。
三、建设内容
微电子是现代电子信息产业的基石，是我国高新技术发展的重中之重，但我国微电子技术人才紧缺，尤其是集成电路相关人才严重不足，培养高质量的微电子技术人才是我国现代化建设的迫切需要。微电子学科实践性强，培养的人才需要具备相关的测试分析技能和半导体器件、集成电路的设计、制造等综合性的实践能力及创新意识。
电子科学与技术专业将利用经费支持建设一个微电子实验教学中心，具体包括四个教学实验室：半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室、微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室、集成电路设计实验室、科技创新实践实验室。使学生具备半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析、微电子器件、光电器件参数测试与应用、集成电路设计、LED封装测试等方面的实践动手和设计能力，巩固和强化现代微电子技术和集成电路设计相关知识，提升学生在微电子技术领域的竞争力，培养学生具备半导体材料、器件、集成电路等基本物理与电学属性的测试分析能力。同时，本实验平台主要服务的本科专业为“电子科学与技术”，同时可以承担“通信工程”、“电子信息工程”、“计算机科学与技术”、“电子信息科学与技术”、“材料科学与工程”、“光信息科学与技术”等10余个本科专业的部分实践教学任务。
（1）半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室侧重于半导体材料基本属性的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论的理解，掌握相关的测试方法与技能，包括半导体材料层错位错观测、半导体材料电阻率的四探针法测量及其EXCEL数据处理、半导体材料的霍尔效应测试、半导体少数载流子寿命测量、高频MOSC-V特性测试、PN结显示与结深测量、椭偏法测量薄膜厚度、PN结正向压降温度特性实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时等。
（2）微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室侧重于半导体器件与集成电路基本特性、微电子工艺参数等的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论、器件参数与性能、工艺等的理解，掌握相关的技能，包括器件解剖分析、用图示仪测量晶体管的交（直）流参数、MOS场效应管参数的测量、晶体管参数的测量、集成运算放大器参数的测试、晶体管特征频率的测量、半导体器件实验、光伏效应实验、光电导实验、光电探测原理综合实验、光电倍增管综合实验、LD/LED光源特性实验、半导体激光器实验、电光调制实验、声光调制实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时、课程设计、创新实践、毕业设计等。
（3）集成电路设计实验室侧重于培养学生初步掌握集成电路设计的硬件描述语言、Cadence等典型的器件与电路及工艺设计软件的使用方法、设计流程等，并通过半导体器件、模拟集成电路、数字集成电路的仿真、验证和版图设计等实践过程具备集成电路设计的能力，目的是培养学生半导体器件、集成电路的设计能力。以美国Cadence公司专业集成电路设计软件为载体，完成集成电路的电路设计、版图设计、工艺设计等训练课程。完成形式包括理论课程的实验课时、集成电路设计类课程和理论课程的上机实践等。
（4）科技创新实践实验室则向学生提供发挥他们才智的空间，为他们提供验证和实现自由命题或进行科研的软硬件条件，充分发挥他们的想象力，目的是培养学生的创新意识与能力，包括LED封装、测试与设计应用实训和光电技术创新实训。要求学生自己动手完成所设计器件或电路的研制并通过测试分析，制造出满足指标要求的器件或电路。目的是对学生进行理论联系实际的系统训练，加深对所需知识的接收与理解，初步掌握半导体器件与集成电路的设计方法和对工艺技术及流程的认知与感知。完成形式包括理论课程的实验课时、创新实践环节、生产实践、毕业设计、参与教师科研课题和部级、省级和校级的各类科技竞赛及课外科技学术活动等。
四、总结
本实验室以我国微电子科学与技术的人才需求为指引，遵循微电子科学的发展规律，通过实验教学来促进理论联系实际，培养学生的科学思维和创新意识，系统了解与掌握半导体材料、器件、集成电路的测试分析和半导体器件、集成电路的设计、工艺技术等技能，最终实现培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、适应范围广的具有较强竞争力的微电子专门人才的目标，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。
参考文献：
[1]刘瑞，伍登学.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2004，（5）：6-9.
关键词微电子技术集成系统微机电系统DNA芯片
1引言
综观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着人类社会向前发展。从50多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息社会的基础和核心的发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力”。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的重要资源，但对它的利用却仅仅是开始。当前面临的信息革命以数字化和网络化作为特征。数字化大大改善了人们对信息的利用，更好地满足了人们对信息的需求；而网络化则使人们更为方便地交换信息，使整个地球成为一个“地球村”。以数字化和网络化为特征的信息技术同一般技术不同，它具有极强的渗透性和基础性，它可以渗透和改造各种产业和行业，改变着人类的生产和生活方式，改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域。而它的基础之一就是微电子技术。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。
50多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947年发明点接触型晶体管、1948年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、CMOS技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自1968年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（siliconage）〖1〗。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态”陷阱之中。虽然创新作为经济发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏”，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。
在微电子技术发展的前50年，创新起到了决定性的作用，而今后微电子技术的发展仍将依赖于一系列创新性成果的出现。我们认为：目前微电子技术已经发展到了一个很关键的时期，21世纪上半叶，也就是今后50年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域主要有以下四个方面：以硅基CMOS电路为主流工艺；系统芯片（SystemOnAChip，SOC）为发展重点；量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；与其他学科的结合诞生新的技术增长点，如MEMS，DNAChip等。
221世纪上半叶仍将以硅基CMOS电路为主流工艺
微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。以MOS技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还可减小器件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；此外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样在器件尺寸缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成电路发明以来，为了提高电子系统的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。集成电路芯片的发展基本上遵循了Intel公司创始人之一的GordonE．Moore1965年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小倍。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十多年来发展的状况证实了Moore的预言[2]。而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将在21世纪继续一段时期，这是其它任何产业都无法与之比拟的。
现在，0．18微米CMOS工艺技术已成为微电子产业的主流技术，0．035微米乃至0．020微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚0．1微米技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有2．0～1．0nm。预计到2010年，特征尺寸为0．05～0．07微米的64GDRAM产品将投入批量生产。
21世纪，起码是21世纪上半叶,微电子生产技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大进展；但还不具备替代硅基工艺的条件。根据科学技术的发展规律，一种新技术从诞生到成为主流技术一般需要20到30年的时间，硅集成电路技术自1947年发明晶体管1958年发明集成电路,到60年代末发展成为大产业也经历了20多年的时间。另外，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力；同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在50年内仍起重要作用，人们不会轻易放弃。
目前很多人认为当微电子技术的特征尺寸在2015年达到0．030～0．015微米的“极限”之后，将是硅技术时代的结束，这实际上是一种误解。且不说微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺技术之外，还有设计技术、系统结构等方面需要进一步的大力发展，这些技术的发展必将使微电子产业继续高速增长。即使是加工工艺技术，很多著名的微电子学家也预测，微电子产业将于2030年左右步入像汽车工业、航空工业这样的比较成熟的朝阳工业领域。即使微电子产业步入汽车、航空等成熟工业领域，它仍将保持快速发展趋势，就像汽车、航空工业已经发展了50多年仍极具发展潜力一样。
随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会遇到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，究其原因，主要是：对其中的物理规律等科学问题的认识还停留在集成电路诞生和发展初期所形成的经典或半经典理论基础上，这些理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、空间尺度为飞秒量级的系统芯片中的新器件则难以适用；在材料体系上，SiO2栅介质材料、多晶硅／硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足亚50纳米器件及电路的需求；同时传统器件结构也已无法满足亚50纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。具体的需要创新和重点发展的领域包括：基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、器件模型、模拟和仿真软件，新型器件结构，高k栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻、13nmEUV光刻、超细线条刻蚀，SOI、GeSi／Si等与硅基工艺兼容的新型电路，低K介质和Cu互连以及量子器件和纳米电子器件的制备和集成技术等。
3量子电子器件（QED）和以分子原子自组装技术为基础的纳米电子学将带来崭新的领域
在上节我们谈到的以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术，可称之为“scalingdown”，与此同时我们必须注意“bottomup”。“bottomup”最重要的领域有二个方面：
(1)量子电子器件（QED—QuantumElectronDevice）这里包括单电子器件和单电子存储器等。它的基本原理是基于库仑阻塞机理控制一个或几个电子运动，由于系统能量的改变和库仑作用，一个电子进入到一个势阱，则将阻止其它电子的进入。在单电子存储器中量子阱替代了通常存储器中的浮栅。它的主要优点是集成度高；由于只有一个或几个电子活动所以功耗极低；由于相对小的电容和电阻以及短的隧道穿透时间，所以速度很快；且可用于多值逻辑和超高频振荡。但它的问题是制造比较困难，特别是制造大量的一致性器件很困难；对环境高度敏感，可靠性难以保证；在室温工作时要求电容极小（αF），要求量子点大小在几个纳米。这些都为集成成电路带来了很大困难。
因此，目前可以认为它们的理论是清楚的，工艺有待于探索和突破。
(2)以原子分子自组装技术为基础的纳米电子学。这里包括量子点阵列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳纳米管为基础的原子分子器件等。
量子点阵列由量子点组成，至少由四个量子点,它们之间以静电力作用。根据电子占据量子点的状态形成“0”和“1”状态。它在本质上是一种非晶体管和无线的方式达到阵列的高密度、低功耗和实现互连。其基本优势是开关速度快，功耗低，集成密度高。但难以制造，且对值置变化和大小改变都极为灵敏，0．05nm的变化可以造成单元工作失效。
以碳纳米管为基础的原子分子器件是近年来快速发展的一个有前景的领域。碳原子之间的键合力很强，可支持高密度电流，而热导性能类似于金刚石，能在高集成度时大大减小热耗散，性质类金属和半导体，特别是它有三种可能的杂交态，而Ge、Si只有一个。这些都使碳纳米管（CNT）成为当前科研热点，从1991年发现以来，现在已有大量成果涌现，北京大学纳米中心彭练矛教授也已制备出0．33纳米的CNT并提出“T形结”作为晶体管的可能性。但是问题是如何去生长有序的符合设计性能的CNT器件，更难以集成。
目前“bottomup”的量子器件和以自组装技术为基础的纳米器件在制造工艺上往往与“Scalingdown”的加工方法相结合以制造器件。这对于解决高集成度CMOS电路的功耗制约将会带来突破性的进展。
QCA和CNT器件不论在理论上还是加工技术上都有大量工作要做，有待突破，离开实际应用还需较长时日！但这终究是一个诱人探索的领域，我们期待它们将创出一个新的天地。
4系统芯片（SystemOnAChip）是21世纪微电子技术发展的重点
在集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（Cell－Lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC芯片是通过印刷电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108－109个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代（即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速度由GHz发展到灯THz、数据传输速率由Gbps发展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒传输数据位数）。
正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（SystemOnAChip，简称SOC）概念。
系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子技术的推动作用不亚于自50年代末快速发展起来的集成电路技术。
SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能，它的设计必须是从系统行为级开始的自顶向下（Top－Down）的。很多研究表明，与IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。例如若采用SOC方法和0．35μm工艺设计系统芯片,在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0．18～0.25μm工艺制作的IC所实现的同样系统的性能；还有，与采用常规IC方法设计的芯片相比,采用SOC设计方法完成同样功能所需要的晶体管数目约可以降低l～2个数量级。
对于系统芯片（SOC）的发展，主要有三个关键的支持技术。
（1）软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（FunctionalPartitionTheory），这里不同的系统涉及诸多计算机系统、通讯系统、数据压缩解压缩和加密解密系统等等。
（2）IP模块库问题。IP模块有三种,即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；和硬核，基于工艺的物理设计、与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成为硬核。其中尤以基于深亚微米的新器件模型和电路模拟为基础，在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。现在,美国硅谷在80年代出现无生产线（Fabless)公司的基础上，90年代后期又出现了一些无芯片（Chipless）的公司,专门销售IP模块。
（3）模块界面间的综合分析技术,这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术（gluelogictechnologies）和IP模块综合分析及其实现技术等。
微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破,同时也是信息技术新发展的里程碑。通过以上三个支持技术的创新,它必将导致又一次以系统芯片为主的信息技术上的革命。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。
在新一代系统芯片领域，需要重点突破的创新点主要包括实现系统功能的算法和电路结构两个方面。在微电子技术的发展历史上,每一种算法的提出都会引起一场变革，例如维特比算法、小波变换等均对集成电路设计技术的发展起到了非常重要的作用,目前神经网络、模糊算法等也很有可能取得较大的突破。提出一种新的电路结构可以带动一系列的应用,但提出一种新的算法则可以带动一个新的领域,因此算法应是今后系统芯片领域研究的重点学科之一。在电路结构方面,在系统芯片中，由于射频、存储器件的加入，其中的电路结构已经不是传统意义上的CMOS结构，因此需要发展更灵巧的新型电路结构。另外，为了实现胶联逻辑（GlueLogic）新的逻辑阵列技术有望得到快速的发展,在这一方面也需要做系统深入的研究。
5微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点
微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其它学科相结合,便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，这方面的典型例子便是MEMS（微机电系统）技术和DNA生物芯片。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。
微电子机械系统不仅是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等〖3〗。
MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点,因而MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；信息MEMS系统将在射频系统、全光通讯系统和高密度存储器和显示等方面发挥重大作用；同时MEMS系统还可以用于医疗、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。
MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，目前正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来MEMS产业化高速发展的时期。2000年，全世界MEMS的市场达到120到140亿美元，而带来的与之相关的市场达到1000亿美元。
目前，MEMS系统与集成电路发展的初期情况极为相似。集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主,但它的诱人前景吸引了人们进行大量投资，促进了集成电路飞速发展。集成电路技术的进步,加快了计算机更新换代的速度，对CPU和RAM的需求越来越大,反过来又促进了集成电路的发展。集成电路和计算机在发展中相互推动，形成了今天的双赢局面，带来了一场信息革命。现阶段的微机电系统专用性很强，单个系统的应用范围非常有限,还没有出现类似于CPU和RAM这样量大面广的产品。随着微机电系统的进步，最后将有可能形成像微电子技术一样有广泛应用前景的新产业，从而对人们的社会生产和生活方式产生重大影响。
当前MEMS系统能否取得更更大突破，取决于两方面的因素：第一是在微系统理论与基础技术方面取得突破性进展，使人们依靠掌握的理论和基础技术可以高效地设计制造出所需的微系统；第二是找准应用突破口，扬长避短，以特别适合微系统应用的重大领域为目标进行研究,取得突破，从而带动微系统产业的发展。在MEMS发展中需要继续解决的问题主要有：MEMS建模与设计方法学研究；三维微结构构造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力学和热学研究；MEMS的表征与计量方法学；纳结构与集成技术等。
微电子与生物技术紧密结合诞生的以DNA芯片等为代表的生物芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物。具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通过生物反应或施加电场等措施使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性从而起到检测基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他们制作的DNA芯片是通过在玻璃片上刻蚀出非常小的沟槽，然后在沟槽中覆盖一层DNA纤维。不同的DNA纤维图案分别表示不同的DNA基因片段，该芯片共包括6000余种DNA基因片段。DNA（脱氧核糖核酸）是生物学中最重要的一种物质，它包含有大量的生物遗传信息，DNA芯片的作用非常巨大，其应用领域也非常广泛：它不仅可以用于基因学研究、生物医学等，而且随着DNA芯片的发展还将形成微电子生物信息系统，这样该技术将广泛应用到农业、工业、医学和环境保护等人类生活的各个方面，那时，生物芯片有可能象今天的IC芯片一样无处不在。
目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术及超分子自组装技术，在固体芯片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计、检测方法学等等。
6结语
在微电子学发展历程的前50年中，创新和基础研究曾起到非常关键的决定性作用。而随着器件特征尺寸的缩小、纳米电子学的出现、新一代SOC的发展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的课题，客观需求正在“召唤”创新成果的诞生。
回顾20世纪后50年，展望21世纪前50年，即百年的微电子科学技术发展历程，使我们深切地感受到，世纪之交的微电子技术对我们既是一个重大的机遇，也是一个严峻的挑战，如果我们能够抓住这个机遇，立足创新，去勇敢地迎接这个挑战，则有可能使我国微电子技术实现腾飞，在新一代微电子技术中拥有自己的知识产权，促进我国微电子产业的发展，为迎接21世纪中叶将要到来的伟大的民族复兴奠定技术基础，以重铸中华民族的辉煌！
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[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997
关键词：智能传感器
1汽车电子操控和安全系统谈起
近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。因此评论界出现了一些专家的预测：汽车工业有可能超过IT产业，成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。其实，汽车工业的增长必将包含与汽车产业相关的IT产业的增长。例如，虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%—15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%，中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在不断地快速增长，预期很快将达到50%。
电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车（机动车）的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合。汽车工程界专家指出：电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。这也是最近电子信息产业界对汽车电子空前关注的原因之一。但是，必须指出的是，除了一些车内音响、视频装备，车用通信、导航系统，以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件（包括传感器、执行器、微电路等）到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器（智能执行器、智能变送器）。
实际上，汽车电子已经经历了几个发展阶段：从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。
还可以举一个安全驾驶方面的例子，出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置（ABS）外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统（EBA），该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。EBA的自控动作必须在极短时间（例如百万分之一秒级）内完成。这个系统能使200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的20多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”（ETC）系统等。
从以上列举的两个例子可以清楚看到，汽车发展对汽车电子的一些基本要求：
1.1电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠。传感器（+调理电路）+微处理器，然后再通过微处理器（+功率放大电路）+执行器的技术途径已经不再能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。
1.2现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。理想的情况当然是，电子控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体。因此器件和电路的微型化、集成化是不可回避的道路。
1.3电子控制单元必须具有足够的智能化程度。以安全气囊为例，它在关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此安全气囊的ECU必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保动作的“万无一失”。
1.4汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，并且，对电子产品而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，电子元器件和电路必须要有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。
1.5与上述要求同样重要，甚至有时是关键性的条件是，汽车电子控制单元用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。一些微传感器和智能传感器就是这方面的典范。例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而且因为可以在集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低（几美元至十几或几十美元），所以在汽车工业中找到了自己最大的应用市场，反过来也有力地促进了汽车工业的电子信息化。
2智能传感器：微传感器与集成电路融合的新一代电子器件
微传感器、智能传感器是近几年才开始迅速发展起来的新兴技术。在我国的报刊杂志上目前所使用的技术名称还比较含混，仍然笼统地称之为传感器，或者含糊地归纳为汽车半导体器件，也有将智能传感器（或智能执行器、智能变送器）与微系统、MEMS等都归入了MEMS（微机电系统）名称下的。这里介绍当前一些欧美专著中常用的技术名词的定义和技术内涵。
首先必须说明的是，在绝大多数情况下，本文大小标题及全文中所说的传感器其实是泛指了三大类器件：将非电学输入参量转换成电磁学信号输出的传感器；将电学信号转换成非电学参量输出的执行器；以及既能用作传感器又能用作执行器，其中较多的是将一种电磁学参量形式转变成另一种电磁学参量形态输出的变送器。就是说，关于微传感器、智能传感器的技术特性可以扩大类推到微执行器、微变送器-传感器（或执行器、或变送器）的物理尺度中至少有一个物理尺寸等于或小于亚毫米量级的。微传感器不是传统传感器简单的物理缩小的产物，而是基于半导体工艺技术的新一代器件：应用新的工作机制和物化效应，采用与标准半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备的。因此有时也称为硅传感器。可以用类似的定义和技术特征类推描述微执行器和微变送器。
摘要：现代汽车电子从所应用的电子元器件到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器。
关键词：智能传感器
1汽车电子操控和安全系统谈起
近几年来我国汽车工业增长迅速，发展势头很猛。因此评论界出现了一些专家的预测：汽车工业有可能超过IT产业，成为中国国民经济最重要的支柱产业之一。其实，汽车工业的增长必将包含与汽车产业相关的IT产业的增长。例如，虽然目前在我国一汽的产品中电子产品和技术的价值含量只占10%—15%左右，但国外汽车中电子产品和技术的价值含量平均约为22%，中、高档轿车中汽车电子已占30%以上，而且这个比例还在不断地快速增长，预期很快将达到50%。
电子信息技术已经成为新一代汽车发展方向的主导因素，汽车（机动车）的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于机械系统及结构和电子产品、信息技术间的完美结合。汽车工程界专家指出：电子技术的发展已使汽车产品的概念发生了深刻的变化。这也是最近电子信息产业界对汽车电子空前关注的原因之一。但是，必须指出的是，除了一些车内音响、视频装备，车用通信、导航系统，以及车载办公系统、网络系统等车内电子设备的本质改变较少外，现代汽车电子从所应用的电子元器件（包括传感器、执行器、微电路等）到车内电子系统的架构均已进入了一个有本质性提高的新阶段。其中最有代表性的核心器件之一就是智能传感器（智能执行器、智能变送器）。
实际上，汽车电子已经经历了几个发展阶段：从分立电子元器件搭建的电路监测控制，经过了电子元器件或组件加微处理器构筑的各自独立的、专用的、半自动和自动的操控系统，现在已经进入了采用高速总线（目前至少有5种以上总线已开发使用），统一交换汽车运行中的各种电子装备和系统的数据，实现综合、智能调控的新阶段。新的汽车电子系统由各个电子控制单元（ECU）组成，可以独立操控，同时又能协调到整体运行的最佳状态。
还可以举一个安全驾驶方面的例子，出于平稳、安全驾驶的需要，仅只针对四个轮子的操控上，除了应用大量压力传感器并普遍安装了刹车防抱死装置（ABS）外，许多轿车，包括国产车，已增设了电子动力分配系统（EBD），ABS+EBD可以最大限度的保障雨雪天气驾驶时的稳定性。现在，国内外的一些汽车进一步加装了紧急刹车辅助系统（EBA），该系统在发生紧急情况时，自动检测驾驶者踩制动踏板时的速度和力度，并判断紧急制动的力度是否足够，如果需要，就会自动增大制动力。EBA的自控动作必须在极短时间（例如百万分之一秒级）内完成。这个系统能使200km/h高速行驶车辆的制动滑行距离缩短极其宝贵的20多米。针对车轮的还有分别监测各个车轮相对于车速的转速，进而为每个车轮平衡分配动力，保证在恶劣路面条件下各轮间具有良好的均衡抓地能力的“电子牵引力控制”（ETC）系统等。
从以上列举的两个例子可以清楚看到，汽车发展对汽车电子的一些基本要求：
1.1电子操控系统的动作必须快速、正确、可靠。传感器（+调理电路）+微处理器，然后再通过微处理器（+功率放大电路）+执行器的技术途径已经不再能满足现代汽车的要求，需要通过硬件集成、直接交换数据和简化电路，并提高智能化程度来确保控制单元动作的正确性、可靠性和适时性。
1.2现在几乎所有的汽车的机械结构部件都已受电子装置控制，但汽车车体内的空间有限，构件系统的空间更是极其有限。理想的情况当然是，电子控制单元应与受控制部件紧密结合，形成一个整体。因此器件和电路的微型化、集成化是不可回避的道路。
1.3电子控制单元必须具有足够的智能化程度。以安全气囊为例，它在关键时刻必须要能及时、正确地瞬时打开，但在极大多数时间内气囊是处在待命状态，因此安全气囊的ECU必须具有自检、自维护能力，不断确认气囊系统的可正常运作的可靠性，确保动作的“万无一失”。
1.4汽车的各种功能部件都有各自的运动、操控特性，并且，对电子产品而言，大多处于非常恶劣的运行环境中，而且各不相同。诸如工作状态时的高温，静止待命时的低温，高浓度的油蒸汽和活性（毒性）气体，以及高速运动和高强度的冲击和振动等。因此，电子元器件和电路必须要有高稳定、抗环境和自适应、自补偿调整的能力。
1.5与上述要求同样重要，甚至有时是关键性的条件是，汽车电子控制单元用的电子元器件、模块必须要能大规模工业生产，并能将成本降低到可接受的程度。一些微传感器和智能传感器就是这方面的典范。例如智能加速度传感器，它不仅能较好地满足现代汽车的各项需要，而且因为可以在集成电路标准硅工艺线上批量生产，生产成本较低（几美元至十几或几十美元），所以在汽车工业中找到了自己最大的应用市场，反过来也有力地促进了汽车工业的电子信息化。
2智能传感器：微传感器与集成电路融合的新一代电子器件
一、前言
微电子技术的发展，为通讯、信息处理和生产、生活及办公自动化等领域带来了巨大的进步，使人类的生活方式、思维方式和社会的产业结构发生了巨大的变化，将人类带入了信息时代。
在电子技术深入发展的同时，一项新的技术棗微机械技术悄然的诞生。微机械发展迅速，具有巨大的发展潜力和应用前景。许多科学家坚信，它将成为继微电子技术之后又一项推动社会迅速进步的革命性技术。
微机械的全称为微电子机械系统，是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。早在六十年代，微机械技术的概念就开始萌芽，一些富有创见的科学家开始探索用硅的微加工方法，制作传感器、执行器和控制器，并设想将它们集成在微小的几何空间，从而形成高度自动化、智能化、可以大批量生产、价格低廉的微电子机械系统。八十年代末，微机械压力传感器等技术的成熟并市场化，IC工艺制作的静电微电机的研制成功，标志着微机械技术已经发展成了一门独立的新兴学科。在科学家们的推动下，微机械技术受到了美国、德国、日本等发达国家的重视，投入了大量的人力物力，十余年间，微机械技术取得了众多新成果，微机械技术透浸到众多领域，产生了巨大的经济和社会效益，展现了美好的前景。
二、微机械元件
微机械元件既可以作为独立的器件，应用于宏观的机电系统中，又可以作为微机械集成系统的单元，是微机械迄今为止研究和开发的主要内容。
微机械的研究主要集中在硅基器件上，这与硅的良好的机械性能和与IC工艺的兼容性有关。早期研制成功并商品化的器件是结构简单的传感器棗硅压力传感器，这种传感器性能优良，成本低廉，市场增长十分迅速，95年产量为5千万件，预计2005年产量将达1亿2千万件[1]。1995年全球传感器市场为60亿美元，其中约4分之1为微机械传感器，微机械传感器从起步至今仅十余年历程，发展如此迅速，表现出微机械技术的强大的生命力。
微机械传感器市场潜力仍非常大，不仅可以进一步替代传统传感器，由于其价格低廉，必将在更多领域得到应用，从而开辟更广阔的新兴市场。国际上许多著名的公司如，Rosemout、AnalogDevices和Motorola均有积极的微机械传感器市场发展计划。
（一）微机械元件应用
微机械器件的优势在于大批量生产时成本低廉，产品的性能-价格比明显优于传统器件。目前具有广阔市场的应用领域包括：
1、多功能绝对压力传感器
石油危机和人们对环境保护的要求，使汽车制造商必须改进油料燃烧的经济性，提高汽车单位重量油料的行程，改善汽车尾气质量。基本的方法是严格控制燃料与空气的比例。这种控制系统的关键元件为多功能绝对压力传感器。1995年这种传感器产量为二千五百万件。
2、医用压力传感器
在使用微机械传感器以前，测量血压用的是可靠性较低的普通压力传感器。这些传感器在使用前须稳定化和标定，测血压的费用较高。
汽车用多功能硅压力传感器研制成功，激励人们成功地开发出医用压力传感器，这种医用传感器使用前不需标定和稳定化，使用费用很低，在严重的疾病的诊断和治疗棗如心脏手术等医疗中得到广泛应用，1995年产量为一千八百万件[2，3]。
3、加速度传感器
九十年代初，硅加速度传感器已由实验研究转入实际应用，应用于汽车车祸传感和刹车及安全汽囊释放控制系统。95年年产量逾五百万件[4]。在过去的二十中，虽然美国由于汽车数量增加车祸的数量增加了75%，而车祸死亡率却减少了50%。这与微机械加速度传感器在汽车中的应用有很大的关系。
二、市场预测
十年前，微机械器件仅有硅压力传感器具有较大市场应用，而如今，加速度传感器已在几年的时间中产量由20万件增加到近2千万件，而许多其它微机械器件也逐步商业化，市场价值达数十亿美元。现在，非传感器类微机械器件的市场还非常小，但有理由预测，在今后十年，非传感器类微机械器件将会有明显增长。
近期有较好市场前景的微机械器件有：
1、压力传感器
微机械硅基压力传感器将进一步增长，应用于汽车和智能化网络输出等方面[5]。汽车传感器的应用包括：燃油汽化、高压喷油、发动机的多功能压力传感器、电子刹车等。
2、惯性传感器
惯性传感器发展十分迅速，包括加速度计、转速计和陀螺仪等，主要应用于汽车稳定性控制和驾驶控制及虚拟现实控制器等方面，以汽车安全气囊释放为目标的加速度传感器已经开发成功，尺寸仅为3mm×3mm，量程为5g，预计价格为每件15美元[6]。
惯性传感器可作为智能惯性导航的核心器件，应用于汽车、飞机和航天器件的驾驶和控制，
3、流体控制器
流体器件，如压力阀，将逐步商品化并有较快的增长。但目前微机械流体器件由于操作温度范围较窄，压力和流量控制范围较小，与流体的相容性有限，还不能很好满足传统商业领域的需要[7]。
4、数据存贮
复杂软件和影相技术对大量信息存贮的需求，促进了高密度存贮技术的研究，多项高密度存贮技术正在开发之中，在微机械技术领域，有良好商业前景的存贮技术的研究包括：
（1）用芯片上的伺服电机驱动硬盘磁头，可以实现0.1μm精密定位，存贮密度可达100GB/in2[7]。
（2）IBM开发了一种塑性存贮盘读写技术，用微机械技术制作“笔尖”，在“写”时，在塑性盘上形成凹坑，而读时，与早期的唱片机读的方法一样。用该方法，已实现存贮密度达20GB/in2[8]。
5、显示器芯片
德州仪器开发微转镜显示芯片技术已愈十五年，现在已经开始少量生产种芯片[9]。还有其它硅谷公司也在开发该项技术。微机械显示芯片将最终实现市场化，可望在巨大的显示器市场占有一定份额。
6、微机械通讯器件
正在开发中的光纤微机械反射调制器，有希望实现居民实时影相通讯，有希望得到迅速发展[10]。
7、CMOS热电堆传感器
用氧化物/氮化物支撑的n型多晶硅/p型多晶硅红外传感和电功率传感元件可以用CMOSIC工艺制作，绝热是通过在CMOS热氧化物下面的体硅腐蚀工艺实现的。硅的氧化物和氮化物对8至14微米的波长敏感，可用来监测房间的异常侵入。温升（几mK）用热电堆来检测[11]。预计该元件在民用、工业和军事上都有广阔的应用前景。
8、CMOS热压力传感器
利用压力对空气热传导性能有影响，可以制成测量气体压力的CMOS压力传感器。目前研制的器件，可用来测量102至106Pa空气压力[12]。
9、CMOS热、通风和空气调节（HVAC）多功能传感器
热、通风和空气的调节须测试温度、气流和空气的湿度。将热电堆、热压力传感和测量湿度的指状电容利用CMOS技术集成一体，便构成了HVAC传感器[13]。这种传感器将在人类高质量生活环境的控制中发挥重要作用。
四、微机械仪器
由于微机械技术能够以较低成本制造出尺寸微小的机械结构，并且可以将传感器、执行器、控制器集成了一体，因此在测试仪器等方面表现出了巨大的优越性。
1、微机械电泳仪
在细长的毛细管两端加上直流电压，管中注入离子导电液体，将发生电泳运动，将分析的样品注入毛细管一端，不同分子量的集团将以不同速度运动，从而形成按分子质量的分布排列，在毛细管的侧面用放射线或荧光可以测定试样的组成。如某一组DNA的组成。
用微机械方法制作的电泳仪比传统电泳仪有很大优越性，不仅价格低，而尺寸小，仅为传统电泳仪尺寸的10分之一，速度快也提高10倍，而且测试结果更加准确[14]。
2、微机械质谱仪
电泳仪可用来分析试样的分子组成，而质谱仪是用来分析试样的原子组成的。在质谱仪中，首先将试样气化，然而在真空中电离，再用电场使离子高速运动，并在磁场中将不同质量的离子分离到不同的运动轨道，同探测器检测，即可分析原子组成。用微机械方法制作这种质谱仪正在开发之中，预计可以将尺寸缩成掌上型大小[15]。
3、微机械细胞计
通过将细胞悬浮在液体中，注入装有透明液体的试管。注入时，细胞悬浮液在试管透明液中形成很细的一条液柱，液柱非常细，可以从试管侧面测定单个细胞的形状、尺寸、光学特性，进行统计学研究。这对医学研究非常有益。现在这种仪器十分昂贵，而用微机械方法制作细胞仪的中的微结构十分便利的，微机械细胞计将能用来确定含量仅0.1%的血细胞[16]。
4、微机械染色体链成反应仪
现有技术尚无法测量数量非常少的DNA的结构，只能通过复制DNA的染色体，使数量增多之后才能测定。利用加热时DNA双螺旋蛋白质分子的融解，分解成两条单链，冷却时，在适当的反应试剂中，试剂分子与每一单链相互组合，形成两条双链DNA。重复上述过程，将使DNA分子大量增殖[17]。
用微机械方法制作的链式反应仪，可以在几分钟内完成DNA的样品复制，比传统仪器快5至10倍，而且，可以节约价格昂贵的反应试剂。随着医疗对DNA测试需求增加，成本低、性能优良的微机械链式反应仪将会有较大市场。
5、微机械重金属探测仪
用微机械方法可以制成阳极溶解式重金属探测仪，利用重金属特征电位和电离电量来检测样品中重金属含量，微机械方法可以制作出尺寸较小的便携式重金属探测仪，可以在现场监测重金属污染[18]。
6、微机械血液测试仪
以微机械生物化学传感器为基础的血液手持型测试仪，可以快速测试血液中的CO2、K+、Na+、C1-、葡萄糖、尿素、pH值等多种指标[19]。这种血液分析仪的开发成功预示着化学分析仪进入一个崭新天地。
五、结论
短短的十余年时间，微机械从诞生至今，从原理研究，器件开发到仪器研制，已经积累了众多成果，形成了一个对人类社会众多领域都将发生重大影响的丰富多彩的新学科。目前在微机械传感器表现出了强大的生命力，在传感器市场占有已达1/4以上，并且开拓出汽车安全汽囊释放控制系统等高经济附加值，高社会价值的新型产品，而在微机械陀螺仪、生物和化学传感器等方面的研究成果，表明微机械在众多领域将发挥巨大的作用，产生巨大的经济价值，将对人类社会生活带来巨大的进步。
微机械仪器的开发和研究成果表明，人类已经有能力开发出品种众多、成本低廉的便携式或掌上型仪器，测试速度快，测试结果更加精密，这将使越来越多的人得到高质量的医疗、保健，更多的人有条件从事高层次的科学研究。
与微型计算机相似，微机械器件的优势在于大批量生产带来的价格优势，因此，现在取得商业成功的主要是那些有巨大市场的项目，如力学传感器，但随着各种模块式器件开发，可以期望组合成种类众多的仪器和系统，实现微机械产品的多样化。
参考文献
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NewProgressofMEMSComponentandInstrument
DalianUniversityofScienceandTechnologyShaoPei-ge
微波元件及其分类
在微波系统中，实现对微波信号的定向传输、衰减、隔离、滤波、相位控制、波形及极化变换、阻抗变换与调配等功能作用的，统称为微波元(器)件。简单地说，微波元件就是工作在微波频段的电磁元件。
在低频电子线路中，常用的无源元件很多，最常用到的是电阻、电容、电感、变压器等。同样，在微波电路中也广泛地使用电阻、电容、电感等无源元件。但是，由于频率的增高，低频电路中常用的这些元件已经不能运用于微波频段，而通过微波技术的研究与发展，如使用分布参数电路，利用传输线的不均匀性等办法即可实现微波频段的电感与电容。此外，构成一个具有一定功能的微波电路，还离不开诸如定向耦合器、功分器、阻抗匹配器、微波滤波器、衰减器、终端负载等几十种无源微波元件；此外，与低频电子线路一样，微波电子线路也包含有各种形式的微波有源器件，如放大器、混频器、微波开关、振荡器等。它们的各种组合能够完成对微波信号的一系列处理。
如果将微波元件按其工作原理和所用材料、工艺分类，又可分为微波电真空器件、微波半导体器件、微波集成电路和微波功率模块。微波电真空器件包括速调管、行波管、磁控管、返波管、回旋管、虚阴极振荡器等，利用电子在真空中运动及与电路相互作用产生振荡、放大、混频等各种功能。微波半导体器件包括微波晶体管和微波二极管，具有体积小、重量轻、耗电省等优点，但在高频、大功率情况下，不能完全取代电真空器件。微波集成电路是将具有微波功能的电路用半导体工艺制作在砷化镓或其他半导体材料芯片上，形成功能块，在固态相控阵雷达、电子对抗设备、导弹电子设备、微波通信系统和超高速计算机中，有着广阔的应用前景。微波功率模块是通过采用固态功率合成技术，将多个固态微波功率器件组合形成的器件，具有效率高、使用方便等优点，对雷达、通信、电子对抗等电子装备实现全固态化有重要意义。
微波半导体器件的发展历程
在实际微波系统中，各种形式的有源元件用于微波的产生、放大、倍频、变频等关键问题，微波固体电子学的发展成为这些有源元件发展的主要动力，在过去的几十年里，各种形式的微波半导体器件不断出现，推动了微波技术的发展。
20世纪50年代，出现了微波二极管，其工作频率可达100GHz，但工作效率较低。进入60年代后，微波半导体器件以硅双极微波晶体管为主，至今仍是微波低端半导体功率器件的一种选择。70年代中期，相关的研究转入电子迁移率更高的GaAsMOSFET器件，并形成了微波单片集成电路的集成化进步，同时进入到毫米波低端。80年代初，分子束外延(MBE)和金属有机化合物汽相淀积(MOCVD)等先进技术的发展，使得人们可以在原子尺度上发展半导体材料，超晶格和异质结由理论设想转化为实际物理结构，新型材料和新型器件层出不穷，如高电子迁移率晶体管(HEMT)、晶格HEMT(PHEMT)、异质结双极晶体管(HBT)等。从90年代开始，微波半导体器件呈现出两大趋势：一是硅基的集成电路由于工艺的发展形成了射频互补金属氧化物半导体器件(RFCMOS)和射频微机械电子系统(RFMEMS)的新的研究和应用，比如恩智浦半导体的BFU725F微波NPN晶体管，即采用的用于分立器件的硅锗碳(SiGeC)工艺技术，具有高开关频率、高增益和超低噪声等多重特点，另外是化合物半导体由于新材料的发展，形成了宽禁带半导体和窄禁带半导体器件的研究。现阶段，八、九十年展起来的微波半导体器件仍然是现如今的主要发展方向。
前不久，佐治亚理工大学的研究者采用碳60薄膜利用常温工艺成功制造出高性能场效应晶体管，在常温工艺下即可达2.7～5cm2／V／s的电子迁移率(见图1)。相信研发人员在利用有机材料制作晶体管的同时，会尝试利用新材料的形成来增加电子移动率的途径，以便得到更有效的微波半导体器件。
微波集成电路的发展历程
微波电路开始于40年代应用的立体微波电路，它是由波导传输线、波导元件、谐振腔和微波电子管组成的。随着微波固态器件的发展以及分布型传输线的出现，60年代初，出现了平面微波电路，它是由微带元件、集总元件、微波固态器件等无源微波器件和有源微波元件利用扩散、外延、沉积、蚀刻等制造技术，制作在一块半导体基片上的微波混合集成电路，即HMIC，属于第二代微波电路。与以波导和同轴线等组成的第一代微波电路相比较，它具有体积小、重量轻等优点，避免了复杂的机械加工，而且易与波导器件、铁氧体器件连接，可以适应当时迅速发展起来的小型微波固体器件。又由于其性能好、可靠性强、使用方便等优点，因此被用于各种微波整机，并且在提高军用电子系统的性能和小型化方面起了显著的作用，至今仍是一种灵活有效的电路形式。
70年代，GaAs材料制造工艺的成熟，对微波半导体技术的发展有着极为重要的影响。GaAs材料的电子迁移率比Si高七倍，而且漂移速度也比Si高得多，这种高频高速性能是由其材料特性决定的。又由于GaAs材料的半绝缘性(其电阻率可达105Ω／cm)可以不需要采用特殊的隔离技术而将平面传输线、所有无源元件和有源元件集成在同一块芯片上，更进一步地减小了微波电路的体积。
正是由于GaAs技术的问世与GaAs材料的特性而促成了由微波集成电路向单片微波集成电路(MMIC)的过渡。与第二代的微波混合电路HMIC相比较，MMIC的体积更小、寿命更长、可靠性高、噪声低、功耗小、工作的极限频率更高等优点，因此，受到广泛的重视。尽管如此，Si和GaAs一直是个激烈讨论的题目。两个主要的技术分歧点是微波晶体管的性能和半导体用作无源元件半绝缘基片时的损耗。如上文所述，GaAs的电子迁移率和漂移速度也比Si高得多，这使得GaAs在低耗无源电路的应用方面有很好的特性，但是在热导率方面，Si却远远超出GaAs。这些因素导致许多公司在过去的几年中大量投资于GaAs技术作为微波应用。然而，Si依然
是个强有力的竞争对手。实际上，随着微波无线产品巨大市场的出现，SiMMIC的发展得以强劲复苏。si和GaAs的争夺前沿是潜在商机十分可观的6GHz以下区域。较高频率应用中也已开始出现Si基微波IC，如Ku波段的DBS的卫星接收机之类。Si异质结双级晶体管技术正在为Si技术在更高频率的应用铺平道路。
目前，单片微波集成电路已经使用于各种微波系统中。在这些微波系统中的MMIC器件包括：MMIC功放、低噪声放大器(LNA)、混频器、上变频器、压控振荡器(VCO)、滤波器等直至MMIC前端和整个收发系统。单片电路的发展为微波系统在各个领域的应用提供了广阔的前景。由MMIC器件所组成的微波系统，已广泛应用于空间电子、雷达、卫星、公路交通、民航系统、电子对抗、通信系统等多种尖端科技中。表1列出了一些主流厂商最新MMIC产品，以供参考。
随着MMIC技术的进一步提高和多层集成电路工艺的进步，利用多层基片内实现几乎所有的无源器件和芯片互联网络的三维多层微波结构受到越来越多的重视。而且建立在多层互连基片上的MCM(Multi-ChipModule)技术将使微波／毫米波系统的尺寸变得更小。
此外随着人们对微电子机械系统(MEMS)技术的研究，利用MEMS技术可以使无线通信设备中的外接分立元件达到微型化，低功耗及可携带性的要求。MEMS采用深刻蚀技术，实现宏观机械上的三维结构，使以前的无源器件的小型化成为可能，同时将版图面积大幅度下降，另外更加容易集成，MEMS的器件主要是以Si作为加工材料，这就使它相对传统的利用MMIC技术制作的器件的成本大幅度下降。MEMS的这些特点也就决定了它向微小型化、多样性和微电子技术方向不断发展。因此，根据MEMS和MMIC技术特点，制成一种结合两种技术优点的器件或电路成为一种趋势。
趋势与展望
