半导体芯片原理精选(九篇)

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第1篇：半导体芯片原理范文

关键词:铂电阻;温度控制;高精度;自适应PID

中图分类号:TP368文献标识码:A

文章编号: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

温度是工业生产中相当重要的参数之一,温度检测和控制的准确性直接影响产品的稳定性和准确性[1]。因此,在很多工业仪器仪表中,对温度要求严格。如在生化仪器中,检测的是化学和生物方面的物品,温度对其影响非常大,没有一个恒定的温度会使测量结果产生误差[2]。较高精度的恒温系统是一个仪表仪器的有力保证。而且现在的仪器都是趋于小型化,便携化的方向发展,所以研制小型化恒温系统意义明显。

针对这一情况,以单片机为控制器核心,对温度信号进行校正和补偿,对温度控制采用相关优秀算法,并且在实验中反复调试控制参数,控制器件采用半导体致冷器,它具有小巧,而且同时满足加热和制冷功能。使小型恒温系统达到较高的要求,为解决温度恒定控制提供了良好的基础。

1 硬件设计

因为铂热电阻化学性能稳定且具有较高的测量精度,所以测温器件选用A级精度薄膜铂热电阻Pt100作为温度传感器。电桥采集温度信号稳定精确,所以采用其作为信号测量电路。采用分辨精度高的16位I2C总线型串行A/D转换芯片MAX1119[6]。采用INA118仪表式放大芯片,它的性能稳定,放大后数据准确。以AT89C51芯片作为核心控制器件,芯片具有价格便宜,芯片具有高静电保护,不怕电源抖动。半导体制冷片采用TEC12706。系统原理图如图1所示。

图1 恒温系统原理框图

实验控制对象空间是一个0.16 L空间的区域。用精密铂热电阻将温度信号转化为电压信号,通过放大后进入A/D转换器,然后输出的数字信号进入单片机,通过软件进行非线性校正得出温度数据。同时将所测温度在LCD上进行显示,将温度数据通过PID运算转化为可调的脉冲宽带调制波。通过调节PWM波的占空比来调节半导体制冷片的功率,以达到恒定温度的目的。

1.1 测温电路部分

电桥选用A级精度的铂热电阻Pt100作为温度传感器,其他三个电阻选用0.1%的100 Ω的电阻。电位器功能是调节平衡。如图2所示。

图2 铂电阻测温电桥

仪表放大芯片有很高的输入阻抗,且其选择了同相端作为输入端,则它们的共模输出电压和温度漂移电压也相等,可以互相抵消,故它有很强的共模抑制比和较小的输出漂移电压。为了使放大芯片工作在最佳状态下,芯片的供电电压最好要比输入共模电压高1.25 V。采用单端供电方式时,选取参考电压源约为供电电压的1/2。通过改变电阻Rg的阻值来改变增益。G=50/Rg+1。如图3所示。

图3 电压放大电路

这样就保证了放大信号进入单片机信号有很好的稳定性、精确性,为能更好控制温度打下良好基础。

1.2 控温电路部分

电桥经过放大电路输出电压信号经A/D转换后送入到单片机,单片机对其进行自校正PID控制,由单片机端口输出相应的PWM信号。PID控制脉冲宽带调制PWM波的占空比,通过控制光耦的通断来控制半导体制冷片的加热功率。为保证半导体制冷器件正常工作,要求输入的电源电压纹波小于10%,且在5 min内不能改变电源的极性[8],因此本系统采取滤波电路,采用两个分立的控制电路,使得制冷单元和加热单元完全分开,既能使电压的纹波达到了要求,又不会突然改变半导体制冷器件电源的极性,使制冷器件的寿命延长。由于光藕输出电流达不到要求,所以系统加入了场效应管来驱动半导体致冷器。如图4所示。

图4 控温电路

第2篇：半导体芯片原理范文

摘要：

评估了使用深反应离子刻蚀工艺来进行晶圆的切割，用于替代传统的刀片机械切割方式。结果表明，使用深反应离子刻蚀工艺，晶圆划片道内的硅通过等离子化学反应生成气态副产物被去除，从而避免了芯片侧面的机械损伤。切割后整个晶圆没有出现颗粒沾污，芯片边缘没有崩角以及开裂等损伤。该工艺还可以适用于更窄的划片道切割要求。

关键词：

深反应离子刻蚀；刀片机械切割；崩角；开裂

1引言

半导体行业一直使用刀片机械切割晶圆的方式，将芯片分离成单独的颗粒，这是目前业界的主流工艺。刀片切割过程中会产生碎屑，芯片侧壁受机械损伤会出现崩角以及开裂，影响到芯片的有效区域，造成电性能失效。硅的裂纹会出现延伸或传播，影响芯片的可靠性以及使用寿命。伴随着半导体工业的发展，晶圆划片道宽度越来越窄。通常划片道宽度在60μm以下时，刀片机械切割将出现工艺瓶颈，主要受限于刀片本身宽度。腐蚀技术分为干法腐蚀和湿法腐蚀。腐蚀具有各向同性腐蚀与各向异性腐蚀之分，还有选择性腐蚀与非选择性腐蚀之分。湿法腐蚀工艺技术是化合物半导体器件制作中一种重要的工艺技术；它是在具有高选择比掩蔽膜的保护下对介质膜或半导体材料进行腐蚀而得到所需图案的一种技术。湿法腐蚀是一种化学腐蚀方法，主要针对InP、GaAs基化合物半导体材料及SiO2的腐蚀。从图1可以看出，湿法腐蚀各向同性，其腐蚀偏差较大，腐蚀图形不可控，无法满足半导体芯片切割的要求。在湿法腐蚀中,抗蚀剂与衬底交界面有腐蚀剂渗入的问题。为了抑制腐蚀液的渗入，显影后需要烙烘进行坚膜，由此常常引起抗蚀剂图形的变形，不利于微细加工[1]。干法刻蚀是在真空状态下通入一定量的反应气体，在射频电场作用下辉光放电，形成等离子体。等离子体中含有离子、电子及游离基等，可与被刻蚀晶圆表面的原子发生化学反应，形成挥发性物质，达到刻蚀样品表层的目的。同时，高能离子在一定的工作压力下，射向样品表面，进行物理轰击和刻蚀，使得反应离子刻蚀具有很好的各向异性，从而得到所需要的器件外形结构[2]。从图2可以看出，干法刻蚀由于各向异性，腐蚀偏差小，腐蚀图形可控，精度高,公害少,工艺清洁度高，对环境污染小。因此，在半导体制造中，干法刻蚀越来越成为用来去除表面材料的主要刻蚀方法。干法刻蚀的各向异性可以实现细微图形的加工，满足越来越小的尺寸要求，已取代湿法刻蚀成为最主要的刻蚀方式[3]。目前干法刻蚀技术有离子刻蚀、等离子刻蚀、反应离子刻蚀、深度反应离子刻蚀几种类型，这几种刻蚀方法适用于不同的被刻蚀材料。其中，深反应离子刻蚀主要应用在去除硅的场合，在刻蚀SiO2时，DRIE的刻蚀速度更快。其刻蚀剖面各向异性，即刻蚀只在垂直于晶圆表面的方向进行，只有很少的横向刻蚀，可以获得90°±1°垂直度的侧壁，用于创建深沟或高纵深比结构。其刻蚀的各向异性可以实现细小图形的转换，满足较小尺寸的要求。深反应离子刻蚀因其具有较高的刻蚀速率、良好的方向性和选择性而在各种各样的硅基微系统制造中得到大量的应用，不但广泛地应用在微电子领域，而且是集成光学器件及微光机电器件加工的重要手段[4，7]。

2深度反应离子刻蚀的基本原理

深度反应离子刻蚀也叫高密度等离子刻蚀或感应耦合等离子刻蚀，是一种采用化学反应和物理离子轰击去除晶圆表面材料的技术[5]。它将等离子的产生和自偏压的产生分别用两个独立的射频电源进行，有效避免了反应离子刻蚀中射频功率和等离子密度之间的矛盾。为实现刻蚀基进入高深宽比图形并使刻蚀生产物从高深宽比图形中出来，必须降低刻蚀系统的工作压力，以增加气体分子和离子的平均自由程。为避免因此导致的离子浓度变低而影响刻蚀速率，使用电感耦合等离子体产生高密度等离子[6]。图3是电感耦合等离子刻蚀设备工艺腔简图。上电极由一个13.56MHz的射频电源通过匹配器接入线圈用于电离气体产生高密度等离子体，下电极由一个400kHz/13.56MHz的射频电源通过匹配器接入静电吸盘，在腔内产生自偏压。深度反应离子刻蚀采用刻蚀和钝化交替进行的博世工艺以实现对侧壁的保护，形成近90°的垂直侧壁[7~8]。原理如下。通入C4F8气体电离，并发生聚合反应在沟槽侧壁以及底部沉积形成钝化层，由于自由基是中性，不受暗区电场的加速，没有方向性，所以沉积的Polymer在沟槽底部以及侧壁都是均匀的。参见图4。通入SF6气体电离，产生SxFy离子和F的活性自由基，SxFy离子在暗区电场作用下加速轰击沟槽底部与侧壁的钝化层，于是钝化层被刻蚀。参见图5。由于暗区电场的加速作用，离子在垂直方向比在水平方向的轰击占优，沟槽底部钝化层比侧壁钝化层先一步被刻蚀清除，这时F的活性自由基与沟槽底部露出的硅反应产生SiF4气体被泵抽走(如图7)，实现对沟槽底部的刻蚀，直至侧壁钝化层也被刻蚀完毕再开始新的循环。从图6看出，由于暗区电场的作用，沟槽侧壁是最后被刻蚀完成的，故对侧壁起到了很好的保护作用，因此，纵向刻蚀距离大于横向刻蚀距离。相关化学反应的方程式如下：（1）各向同性Polymer沉积C4F8CFn（2）各向异性硅刻蚀+各向异性轰击SF6+eSF5++F(游离基)+2eF+SiSiF4(g)对于晶圆的切割来说，各向异性刻蚀的刻蚀速率快，能形成高纵深比的结构和精确的三维结构，没有负效应，能通过合理改变工艺参数满足特定应用的显微结构要求，使得深度反应离子刻蚀成为一个商业上可行的技术[9]。

3试验准备

晶圆在使用深度反应离子刻蚀工艺进行划片的工艺流程见图8~13。硅刻蚀使用深反应离子刻蚀工艺将硅刻穿，完成芯片的切割。把晶圆背面贴上划片膜，释放玻璃片，从而便于后续的编带，见图13。刻蚀后的晶圆如图14所示。干法刻蚀设备为SPPMUC21刻蚀机。该设备为ICP高密度等离子刻蚀机，刻蚀深度片内/片间均匀性误差≤5%，刻蚀角度90±1°。

4样品检验

4.1测量设备

测量设备为奥林巴斯光学显微镜和日立扫描电镜。

4.2检验结果

（1）等离子刻蚀后晶圆表面没有任何碎屑、沾污开裂等问题，见图15。

（2）等离子刻蚀后晶圆划片道内没有任何残留以及沾污，刻蚀前光刻开口22±1μm，刻蚀后划片道开口满足22±3μm。见图16。

（3）等离子刻蚀后取芯片做SEM，观察芯片侧壁，没有崩角或者开裂。见图17。

（4）样品良品率大于98%。

5结论

通过大量实验，确定深反应离子刻蚀能用于硅片的切割；切割效果可以满足规范要求。通过优化工艺流程、刻蚀速率和划片槽开口大小，可以获得理想的切割剖面，以确保深度反应离子切割是可以接受的。

参考文献：

[1]孙静，康琳，等.反应离子刻蚀与离子刻蚀方法的研究与比较[J].低温物理学报，2006，28（3）.

[2]苟君，吴志明，太惠玲，袁凯.氮化硅的反应离子刻蚀研究[J].电子器件，2009，32（5）.

[3]苟君，吴志明，太惠玲，袁凯.氮化硅的反应离子刻蚀研究[J].电子器件，2009，32（5）.

[4]葛益娴，王鸣，戎华.硅的反应离子刻蚀王艺参数研究[J].南京师范大学学报(工程技术版)，2006，6（3）.

[5]苟君，吴志明，太惠玲，袁凯.氮化硅的反应离子刻蚀研究[J].电子器件，2009，32（5）.

第3篇：半导体芯片原理范文

 

微电子技术的主要相关行业集成电路行业和半导体制造行业，既是技术密集型产业，又是投资密集型产业，是电子工业中的重工业。与集成电路应用相关的主要行业有：计算机及其外设、家用电器及民用电子产品、通信器材、工业自动化设备、国防军事、医疗仪器等。

 

1.微电子技术的概述

 

微电子技术的涵义：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，简言之就是将电子产品微小化的技术。微电子技术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;是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。

 

因其体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，对信息时代的飞速发展具有巨大的影响。实现网络、计算机和各种电子设备的信息化的基础是集成电路，因此说微电子技术是电子信息技术的核心技术，是社会信息化发展的基石。

 

微电子技术知识组成及应用：微电子学科以半导体物理、半导体化学专业为基本，涉及半导体物理基础、半导体材料、半导体器件与测量、半导体制造技术、微电子封装技术、半导体可靠性技术、集成电路原理、集成电路设计、模拟电子线路、数字电路、工程化学、电路CAD基础、可编程逻辑器件、电子测量、单片机原理等众多学科知识。衡量微电子技术的标志要在三个方面：一是缩小芯片中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度：二是增加芯片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模;三是开拓有针对性的设计应用。

 

微电子的应用领域广泛，主要分布在半导体集成电路芯片行业，从事制造、测试、封装、版图设计及质量管理、生产管理、设备维护等半导体行业，不光需要大量的一线工程技术人员，也需要大量高级技术工人。其就业方向主要面向微电子产品的生产企业和经营单位，从事半导体芯片制造、封装与测试、检验、质量控制、设备维护等的工艺方面工作，生产管理和微电子产品的采购、销售及服务工作。

 

2.微电子技术产业现状

 

全球产业现状：自上世纪，作为信息技术发展的基石，微电子技术伴随着计算机技术、数字技术、移动通信技术、多媒体技术和网络技术的出现得到了迅猛的发展，从初期的小规模集成电路(ssI)发展到今天的巨大规模集成电路(GSI)，成为使人类社会进入信息化时代的先导技术。本世纪，随着现代科学技术的飞速发展，人类历史进入一个崭新的时代——信息时代。

 

其鲜明的时代特征是，支撑这个时代的诸如能源、交通、材料和信息等基础产业均将得到高速发展，并能充分满足社会发展及人民生活的多方面需求。电子科学与技术的信息科学已成为当前新经济时代的基础产业。

 

国际微电子技术的发展趋势是集成电路的特征尺寸将继续缩小，集成电路(Ic)将发展为系统芯片(sOC)。芯片是信息时代最重要的基础产品之一，如果把石油比作传统工业“血液”的话，芯片则是信息时代IT产业的“大脑”和“心脏”。无论是小到日常生活的电视机、VCD机、洗衣机、移动电话、计算机等家用消费品，还是大到传统工业的各类数控机床和国防工业的导弹、卫星、火箭、军舰等都离不开这，JwJ\的芯片。随着我国国民经济和信息产业持续快速增长，国内集成电路市场需求持续旺盛，当前我国集成电路市场已成为全球最大的市场。

 

微电子工业发展的主导国家是美国和日本，发达国家和地区有韩国和西欧。我国微电子技术产业正进入迅猛发展时期，目前已经成为世界半导体制造中心和国际上主要的芯片供应地。特别是在半导体晶片生产方面，其产量超过全世界晶片产量的30%，今年随着LED产业迅猛发展，芯片市场已供不应求。今年，我国芯片总需求已经达到500亿美元，成为全球最大的集成电路市场之一。

 

我国微电子技术产业现状：在2006年8月及10月海力士意法在无锡建成8英寸和12英寸芯片生产线之后，2007年迅速达产，从而拉动了国内芯片制造业整体规模的扩大。在此基础上，2008年海力士意法又继续实施第二期工程，将12英寸生产线产能扩展至每月8万片。此外，国内还有多条集成电路芯片生产线正处于建设或达产过程中，其中12英寸芯片生产线已成为投资热点。

 

中芯国际在成都的8英寸生产线建成投产，紧接着在武汉的12英寸芯片制造企业——武汉新芯集成电路制造有限公司也建成投产;华虹NEC二厂8英寸生产线建成投产;英特尔投资25亿美元在大连的12英寸芯片制造厂投产：台湾茂德也投资9.6亿美元在重庆建设8英寸生产线;中芯国际投资12亿美元在上海的12英寸生产线正式运营。中芯国际宣布正在深圳建设8英寸和12英寸生产线，英特尔支持建设的深圳方正微电子芯片厂二期工程已竣工。

 

随着这些新建和扩建生产线新增产能的陆续释放，我国芯片制造业的规模将继续快速扩大。北京京东方月生产9万片玻璃基板的液晶生产8.5代线今年即将投产。在封装测试领域，中芯国际和英特尔在成都的封装测试企业建成投产，江苏长电科技投资20亿元建设的年产50亿块集成电路的新厂房在使用，三星电子(苏州)半导体公司的第二工厂投产。

 

飞思卡尔、奇梦达、RFMD、瑞萨、日月光和星科金朋等多家企业也分别对其在中国大陆的封装测试企业进行增资扩产。此外，松下投资100亿日元在苏州建设半导体封装新线投产;意法半导体投资5亿美元在深圳龙岗建设封装工厂。这些新建、扩建项目成为近期拉动我国集成电路封装测试业继续快速增长的主要力量。

 

从产业的市场层面看：英特尔、三星、德州仪器、Renesas公司、东芝公司、ST微电子公司、英飞凌、NEC、摩托罗拉和飞利浦电子公司，为世界较大的半导体生产商。领导我国微电产业主流的企业主要分布在以上海为中心的“长三角”地区、以北京为中心的京津环渤海湾地区和以深圳为中心的“珠三角”地区，代表是：上海广电集团有限公司、北京东方电子集团股份有限公司、深圳天马有限公司等。

 

毋庸置疑，微电子产业投资巨大，产业规模发展迅速，发展前景无限广阔。

 

3.微电子产业的发展为中等职业学校微电子专业打开就业市场

 

国内现有的集成电路生产线的生产能力和技术水平正迅猛扩大和提升。企业通过加强工艺技术、生产技术的研究开发和改造，加快现有生产线的技术升级，形成规模生产能力，提高产品技术水平，扩大产品品种，替代进口。因而，用工需求量大，技术工人市场前景也随之向好。近年来，我国职业教育实现了跨越式发展，适应企业的发展需要培养技术技能型人才成为中等职业教育的出发点。

 

目前，全国设有电子科学与技术相关专业的高等院校有一百多所，在校学生估计超过5万人。本专业设有专科、本科和研究生教育三个层次。专业的发展现状良好，主要表现在：规模在逐年扩大，开设此专业的学校和招生人数都在增加;专业毕业生的就业率相对较高。这是与微电子技术产业的稳步发展相适应的。

 

然而，我们应该看到，不同层次的人才对应着不同层次的社会需求。高等教育的目的是为国家培养出具有良好的思想道德素质、扎实的基础理论知识、宽广的科学技术知识面、良好的创新意识和创新能力的高素质人才，而随着集成电路、液晶、有机薄膜发光及太阳能电池等信息产业投产规模的不断扩大，从事基本劳动的产业技术工人需求量也在大幅增加，目前很多企业正处在“用工荒”。这给职业教育开设微电子技术专业带来的契机，我们必须牢牢抓住这个契机，为社会培养合格的技术工人，适应企业的发展。

 

4.突出职教特色，校企结合开设课程

 

合格人才的培养不是一个孤立的事件，而是一个复杂的工程，它既是专业知识的培训过程又是思想道德素质的提高过程;它要求学校要适应产业发展需要，培养的学生既要有专业技能又要脚踏实地：既要有“教方”教改的灵活变化，更要有“学方”学习内容的切合实际。

 

这些决定教育质量和产业发展的环节相辅相成、缺一不可。电子科学与技术专业的教育质量、规模、结构和市场的关系是一种相互制约、相辅相成的辩证关系。教学必须适应生产力的发展需要，课程设置、专业规模和结构必然受到行业市场冷热的影响。就学校而言，教育质量除了受到教师、教材、课程、授课方式等纯教学因素的影响之外，同时受到产业规模和结构的制约，课程结构设置要和企业需求密切结合。

 

课程设置中：明确设课目的。明确基础课、实训课之间的学时比例，要了解社会需求对课程的模式、培养方向起到决定性作用。起点不同的学生技术专业也应定位在不同的培养层次上。

 

一般来讲，高中毕业起点的学生课程选择应该在对材料生长的了解、清洗工艺、净化及器件工艺的学习掌握;初中起点学生的培养目标是普通型工人，学校的办学目标不能一刀切，应根据需求分出层次。内容应根据市场需求，不能盲目制定教学计划而脱离实际，要大胆结合企业用工需求，培养称职的技术工人。

 

教学环节中：在目前的社会环境和市场调节的作用下，如何提高教学质量是一个重大和综合性的课题。影响教学质量的校内要素是“教”与“学”，“教方”的要素有：教师队伍、课程设置、教材选择、教学方式;“学方”的要素是学习目的、上课态度。

 

在这些方面存在着：教方能否真正及时了解和掌握市场信息，教师有没有适应市场需求的教学能力;课程设置能不能和学生的接受能力吻合，既要按需设课也要“因人设课”，实验和实习环节不能流于形式：教材选择和讲授内容既要按照统一标准，又要“因人施教”、“因需施教”;教学方式达到在不偏离教学要求前提下的多样化：以宽进严出的原则对待学生、教授知识。

 

从“教”与“学”两个方面来抓“质量”：首先，必须重视教师队伍的建设，注重教师的基本素质，如思想品德、敬业和专业知识面等;其次应该注重教师的再学习，这包括教授课程的学习与拓宽，要掌握捕捉微电子学科发展的洞察力和知识的更新能力;其次，随着电子科学与技术的不断发展，应该注重课程设置的不断更新和调整;第三，课程设置必须同样注重教学和实验两个环节，加强实验教学环节;带学生多参加实训，对于培养学生的接受、掌握专业知识和动手能力非常必要;即课堂与课下相结合、讲课与实验相结合、平时与考试相结合。

 

从前面国内外电子科学与技术行业的现状和发展趋势来看，美国、西欧、日本、韩国、台湾地区的电子科学与技术产业早已完成飞速发展的上升期，进入稳步而缓慢的平台。而我国随着市场开放和外资的不断涌入，电子科学与技术产业正突飞猛进、焕发活力。今后我国电子科学与技术产业还将有明显的发展空间，高科技含量的自主研发的产品将会占领全球主导市场，随着社会需求逐步扩大，微电子技术专业的就业前景十分看好。

 

目前，市场对从事此类工作的工人需求是供不应求的，呈现“用工荒”状态，而且真正经过专业培训的合格技术工人几乎很难找到，农民工缺乏相应的技术不能满足像因特公司、京东方、上广电、大连路明集团、久久光电这些科技产业的用工需要，从这一点来看，企业急需具有一定技术技能型的工人来充实一线生产。因此，今后几年内，职业教育应该注重微电子技术专业领域人才的培养。

第4篇：半导体芯片原理范文

关键词：DSP；TMS320F2812；半导体激光器；恒流源

引言

目前，半导体激光(LD)已广泛应用于通信、信息检测、医疗和精密加工与军事等许多领域。激光电源是激光装置的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到整个激光器装置的技术指标。本设计采用受DSP控制的恒流源来为半导体激光器提供电流，在电路中，利用负反馈原理，控制复合功率调整管输出电流，以达到稳定输出电流的目的。该系统采用电路设计和程序控制算法设计相结合的方法，从多方面对半导体激光器的工作状态进行实时检测和控制，使系统的性能得到很大的改善和提高，有效解决了半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题，进一步提高了半导体激光器的输出指标。

系统原理

要使激光器输出稳定波长的激光，则要求流过激光器的电流非常稳定，所以供电电路选择低噪声、稳定的恒流源。恒流源电流可以在0A～3A之间连续可调，以适应不同规格的激光器。目前，半导体激光器电源的二次开发中一般采用的都是纯硬件电路系统或者单片机控制。随着嵌入式微处理器的迅猛发展，基于DSP的数字化控制能更有效地解决半导体激光工作的稳定、准确和可靠性问题。DSP二次开发的原理如图1所示。

由DSP输出的电压控制信号输出给运放，经运算放大器放大后输出，来控制由三极管8050和调整管TIP122组成的复合调整管。调整管的发射极串联一个继电器和一个大功率采样电阻。从采样电阻的两端取电压信号送给差分放大电路U2，从而得到取样电阻上的电压。

该路电压信号通过一个电压跟随器，进入由DSP控制的ADC的模拟信号输入通道，由ADC将输入的模拟信号转换为数字信号，再由DSP将转化的数字信号进行数据处理。取样电阻选择0．15Ω的大功率金属膜电阻，该电阻要求有较好的温度系数。运算放大器U1的放大倍数决定电流的控制精度，放大倍数越小，电流的输出精度越高。同时差分反馈电路U2的放大倍数也将影响电流的控制精度，其放大倍数越大，电流的稳定度越高，但电流的输出范围变小。在控制电压一定的情况下，准确选择运算放大器U 1的倍数和差分反馈电路U2的放大倍数，将成为决定恒流源的电流输出精度和电流输出范围的重要因素。

TMS320F2812控制系统

该设计电路以数字信号处理器TMS320F2812为核心。该电源由控制电路、保护电路和主回路等几部分组成，DSP在其中起核心作用。其控制任务主要为：

1．控制数据采集系统。利用DSP芯片自带的12位ADC，根据采样信号经过PID运算处理后进行控制。数据转换启动命令由F2812的引脚XF控制，即通过软件设置引脚XF为高电平，来控制ADC的数据

转换。数据转换完成后，信号BUSY将变为低电平，触发F2812中断，将数据从16位数据线D[15：0]立即读出。该系统的数据码为二进制补码，F2812将接收到的数据处理后，进行缓存，同时送到LCD实时显示。

2．采用一片DAC7724芯片与DSP接口。该芯片为4通道12路双缓冲的DAC，用其中的2路设定输出电压基准和电流最大值限制基准。

3．人机接口电路。LCD和8279分别作为外部I／O设备与DSP相连。LCD用来显示电流、电压、功率，以及故障显示和报警。

4．故障检测。故障检测电路的中断信号输入到DSP的XINT2脚，如果有下降沿的中断产生，则通过GPIO口线GPl08和GP109，分别检测过压、过流信号。

数字滤波器及系统软件设计

数字滤波器设计

针对本项目以往开发过程中对电流滤波设计存在的不足，现引进基于TMS320F2812的数字滤波器对电流采样信号进行滤波。为了快速方便地设计滤波器，直接利用TI公司提供的filter library函数库进行设计。设计步骤如下：按照实际任务要求，确定滤波器性能指标；在Matlab中，调用filterlibrary库中的ezfir函数，进行仿真；根据仿真结果，确定各参数的值；调用filterlibrary库中的filter．asm DSP汇编程序模块，并把Matlab中的仿真参数值复制到程序中，在F2812上实现滤波。

系统软件设计

系统工作流程如图2所示。上电以后，系统开始自检，自检完成后，进入系统初始化，包括DSP、DAC、LCD，以及DSP内部的中断控制器和计数器等。系统准备好后，进入开机画面。开启键盘中断等待按键选择相应功能。若“参数设定”为选中状态，按下工作键，进入“参数设置”界面，可以对电压、电流和功率值进行设定。设定完成返回开机画面，启动激光器工作。系统进入运行状态后，用户仍然可以在不终止激光器工作的情况下设置新值，设定完备后，激光器按新要求输出激光。

系统自检和控制过程中出错或系统过流、过压时，会自动调用保护程序。当系统关闭或突然断电时，为防止激光器两端电压骤降为零，系统采取满关闭方法，其原理是：将采样值逐步输出降低，直到降为零才允许关机。

结语

第5篇：半导体芯片原理范文

关键字：探针痕迹；探针；焊接点；晶圆；芯片

1 影响针痕深度的主要探针卡技术指标

1.1 针尖的压力

探针的针压系数是指描述探针作用于测试点上时，单位下移度下所施加的压力大小。针压系数大小是判断探针性能的重要指标，也对针痕的深度有着重要影响。针压过大迫使芯片焊接点单位面积所承受的压力过大，针痕深度就越深，探针扎穿焊接点的可能性越大，造成芯片不良和报废等重大质量事故。

1.2 针尖的直径

根据芯片焊接点的大小，探针直径也会被设计为更适应焊接点的大小，工业上规定针尖直径要小于焊接直径的二分之一。针尖直径对针尖压力有直接的影响，针尖直径太大，单位面积焊点收到的压力越小，接触焊点不充分会导致电性测试失真导致良品率下降；相反，针尖直径太小，更加容易扎穿芯片上焊点，暴露底层电路后最终导致产品报废。

1.3 探针卡类型

探针卡大致可分为两种：悬臂型探针卡和垂直型探针卡。悬臂型探针在接触芯片焊点后会发生一定位移，从而在焊点处呈现带有一定滑动的长椭圆形针痕；垂直型探针卡，顾名思义即以垂直的方向接触芯片焊点，呈现圆形针痕且比悬臂型探针获得更好的针痕形状。对针痕深度的影响被施加在焊点上的距离所决定。

2 影响针痕深度的测试机台参数

2.1 机台精密度

众所周知，在现代半导体行业的探针测试机台中，根据光学和机械原理的不同，厂家的不同，不同型号的测试机台对探针测试的影响也不尽相同。以Z轴移动精度举例，有1um和5um为最小移动标准的差别，我们当然知道精度为1um的几台会比5um的更为精确，对针痕深度的控制更有把握。

2.2 机台加速度

尽管测试机台种类很多，但它们的共同之处就是都有加速度设置，这里的加速度包括机台Z轴上升和下降中的加速度和减速度。速度的快慢不仅影响测试时间，也是针痕深度的至关重要因素，下图利用DOE的方法，显示了不同速度对测试时间和针痕深度的影响。

3 探针接触芯片焊点的次数

3.1 多次复测

我们知道，晶圆测试的流程是复杂而精密的，它是晶圆制造的最后一道工序，晶圆制造测试完毕后，将被切割成一颗一颗独立的芯片进行封装，最后进行交付客户前的最终测试。晶圆测试为封装部门节省了很大一部分成本。因此，晶圆测试流程不单单仅有一次，这就意味着探针接触焊点的次数不唯一，那么这时我们就需要知道芯片能够承受多少次的接触才不会被扎穿，这就需要我们进行一些DOE的试验后，得出结论。而我们已经明确的是，尽量避免不必要的接触，即：减少多次复测，保证一次测试的准确性。

3.2 Multi-site 并行测试探针卡的移动规则

并行测试值同一时间内完成同一晶圆上的多个芯片测试，能够提高单位时间内的测试效率并降低成本。并行测试的优点显而易见但它所带来的一些负面影响也随之而来，这就是增加了探针重复接触焊点的次数。对于形状为圆形的晶圆来说，晶圆边缘是不完整的芯片或是硬度较大的硅材质，此时，探针接触与不接触这些边缘芯片的移动规则不同。以3448个芯片的8英寸晶圆为例，采用8X4的32位并行探针进行测试，接触与不接触边缘的移动步径分别为137月175，其中被探针扎过次数最多的一个芯片共被接触6次。由此而知，我们应该优先选择接触边缘的方法测试，但同时也要考虑探针的材质和对探针的磨损。

4 环境温度

半导体测试常有低温，室温，高温等不同环境的测试，以确保芯片在不同环境下可以正常运行并确保芯片的稳定性。温度的变化，必然使探针长度发生物理形变，温度升高，针长变长，温度达到设定温度后，针长保持不变，从而保持正常测试。如不能保持稳定的环境温度，会迫使探针在测试过程中发生突然的变形，导致探针痕迹异常，造成测试结果不准确，甚至芯片报废的情况。因此，在这里，有三点需要特别注意：一、测试开始前，保证升降温度充分到达设置温度，待探针充分形变后稳定探针高度。二、测试过程中，保持稳定的温度环境，一旦环境遭到破坏，请从新等待探针形变。三、测试结束后，如需将环境变回室温，请确保探针形变结束再开始新的生产。

5 芯片焊点的厚度

随着电子行业的迅猛发展，晶圆制造的趋势也必定是向小而薄的方向发展。晶圆的制造需要一系列高精密高洁净度高机械化的复杂工艺，度量单位往往以纳米级计量，随着消费者需求的提高，制造商们不断的改变工艺追求创新，晶圆的厚度越来越薄，对于芯片焊点的厚度有了新的改变，这也必然对探针测试有了更大的挑战。

综上所诉，影响探针痕迹深度的因素有很多，对任何条件的改变都应考虑到其他方面的影响，这就要求技术者们必须综合观察，进行充分的试验并利用六西格玛原理对产品进行科学设计。

参考文献

[1]D.Krzysztof， “Advances in Conventional Cantilever Probe Card”， in Proc. of the International Conference IEEE SouthWest Test Workshop，pp.1-28.2003

[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：半导体芯片原理范文

关键词：增强/耗尽型pHEMT；幅相控制多功能；数控移相器；单刀双掷开关；数控衰减器

中图分类号：TN43 文献标识码：A

0.引言

近几年多功能MMIC得到了较为广泛的应用，其优点在于集成度高，可使接收或发射组件的可靠性和生产效率显著提高。然而整机对功率、频率及性能的不断追求，对于多功能MMIC也面临不小的挑战。

本文基于GaAs E/D工艺设计并实现了K波段幅相控制多功能MMIC。该芯片对接收增益波动大采取了2bit微调数控衰减器的改善措施，实现了接收支路增益≥3dB，出1dB压缩点≥1dBm； 发射支路增益≥5dB，输出1dB压缩点≥4dBm；移相RMS≤5°，衰减RMS≤0.6dB。

1.多功能MMIC的设计

多功能MMIC的设计包含：整体拓扑设计、开关设计、数控移相器设计、数控衰减器设计和放大器设计5个主要部分，然后通过仿真，版图布局最终完成多功能MMIC的设计。

1.1 多功能MMIC的拓扑

该芯片采用拓扑结构如图1所示，集成了3个放大器、6位数控移相器、6位数控衰减器、2位接收微调数控衰减器、4个单刀双掷开关组合、16位并口驱动器。该电路特点：集成度高，隔离度高，功耗低。

1.2 开关的设计

开关在多功能MMIC中起到信号选择导通的作用，用来控制信号的接收或发射链路，开关的插入损耗、速度及隔离度等指标的好坏直接影响多功能MMIC的指标。

开关的等效电路模型如图2所示。其原理如下：通过调整Vgs的电压来控制Rds、Cds的大小达到开关的开态或者关态。

目前流行的开关拓扑为串并联结构如图3所示，其特点：结构简单、小型化、指标优秀。该芯片采用了串并联结构。

通过调整V1、V2的电压实现对收发通道的选择。

1.3 数控移相器的设计

移相器在多功能MMIC中起到调相作用，用来控制雷达的方向角，移相器的调相精度直接影响多功能MMIC的指标。

其原理如下：通过控制开关，改变移相位为参考态或移相态，达到调相的目的。

目前比较常用的拓扑结构有加载线式、开关线式和高低通滤波器式。最为广泛的是高低通滤波器式移相器，其特点集成度高，小型化，可做宽带应用。本文的数控移相器为六位，最小步进5.625°，并由6个基本态组成（5.625°、11.25°、22.5°、45°、90°、180°），基本态移相电路结构有如下几种：

5.625°移相位采用图4的并联型结构，其结构简单，损耗小。11.25°和22.5°采用图5的单T型结构。 45°、90°和180°采用图6的高低通型结构，其结构特点可大幅度减小芯片面积。同时该结构适用于大移相位，相移和插损在带宽内波动幅度较小。

1.4 数控衰减器的设计

数字衰减器常用的拓扑结构有简T型和π型，如图7、图8所示。单态衰减设计应尽量选择损耗小、精度高、小型化的结构。本设计中0.5dB和1dB采用简T电路结构，2dB、4dB、8dB采用π型电路结构，16dB采用两个8dB结构串联实现。数字衰减器的拓扑如图9所示。

1.5 放大器设计

放大器在多功能MMIC中用于电路插入损耗的补偿，同时具备一定的输出功率，用来驱动发射通道后面的功率放大器。

在多功能MMIC中采用了宽带反馈式单片放大器，电路拓扑结构如图10所示。电路采用自偏压结构，电源电压+5V。基于GaAs大信号模型进行了电路匹配。在设计中重点关注了功率管源极的对地电容，其寄生效应会引起源极负反馈，通过电磁场仿真消除了此影响，并成功地应用在多功能MMIC中。

2.多功能MMIC的版图设计

幅相控制多功能MMIC，采用软件完成电路的仿真和整体版图。设计数字移相器和数字衰减器的版图中，重点考虑输入输出匹配，减小插损；对于驻波敏感的衰减态及移相态尽量周围用地孔屏蔽，并放置于芯片中部位置。

先生成单功能版图，包括开关、衰减器、移相器和放大器，然后在拼版到一起组成多功能版图，利用电磁场仿真优化功能，改进多功能版图布局，重点考虑减小各功能电路间的耦合、串扰、兼容等影响，同时改良布局达到缩小芯片尺寸的目的。

最后生成偏置版图，主要为馈电、串并转换等电路，馈电电路主要做好滤波功能，尽可能进行滤波组合，控制电压重点做好过压过流保护电路和防静电保护电路，提高数字电路的可靠性。

3.工艺实现与测试

本文基于GaAs E/D工艺实现了幅相控制多功能MMIC。该工艺可实现微波电路和数字驱动电路一体化设计。流片完成的多功能MMIC照片如图11所示，芯片最终尺寸为3.5mm×4.8mm。该芯片有收发公共端口（芯片左侧）、发射输出端口（芯片上侧）、接收输入端口（芯片下侧），馈电及数控端口（芯片右侧）。

通过矢量网络分析仪和微波探针系统对多功能MMIC进行了圆片测试，主要电性能测试结果如图12～图15所示。加电+5V下静态电流48mA，加电-5V下静态电流13mA。

图12为多功能MMIC在接收/发射状态下的信号增益，在整个工作频带内发射增益大于5 dB，接收增益大于3 dB；接收/发射增益呈现正斜率2 dB。

图13为多功能MMIC在接收/发射状态下的信号输出P-1dB，在整个工作频带内发射输出P-1dB大于4 dBm，接收输出P-1dB大于1 dBm。

图14和图15为多功能MMIC在接收/发射状态下的移相64态RMS和衰减64态RMS，在整个工作频带内移相64态RMS最大5°，衰减64态RMS最大0.6dB。

结论

本文基于GaAs E/D工艺设计并实现了K波段幅相控制多功能MMIC。该芯片内部集成单刀双掷开关、6位数控移相器、6位数控衰减器、2位接收微调数控衰减器、放大器和16位幅相控制并口驱动。该芯片收发状态下移相64态RMS≤5°，衰减64态RMS≤0.6dB，尺寸为3.5mm×4.8mm。该芯片可用于微波收发组件，实现对接收和发射信号的幅相控制。

参考文献

[1] KANG D W， KIM J G， MIN B W， et al. Single and four-element Ka-band transmit/receive phased-array silicon RFICs with 5-bit amplitude and phase control[J] IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 2009， 57（12）： 3534-3543.

[2] JEONG J C， YOM I B. X-band high power SiGe BiCMOS multi-function chip for active phased array radars[J] Electron. Lett. 2011， 47（10）： 618-619.

[3]⑹生，彭龙新，潘晓枫，等. E/D GaAs pHEMT多功能MMIC设计[J].固体电子学研究与进展，2014，34（1）： 29-34.

[4]徐伟，吴洪江，魏洪涛，等.基于GaAs pHTMT的6～10GHz多功能芯片[J].半导体技术，2014，39（2）： 103-107.

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[6]，高学邦.一款高精度大衰减量单片数控衰减器[J].半导体技术，2012，37（1）：59-62.

第7篇：半导体芯片原理范文

关键词：发光二极管；荧光灯

中图分类号：J914 文献标识码：A 文章编号：

引言

伴随着全球节能减排的盛行,环保和节能成为市场热点, 在此技术上我国也有了自己的技术和产业发展思路:抓住照明产业革命的历史机遇,坚持政府引导,以企业为主体和市场化运作原则,以技术创新为核心,机制创新为保障,在解决市场继续的产业化技术的同时,加大对重大关键技术研发的投入,集中力量,重点突破,实现跨越式发展。

一、发光二极管

发光二极管(LED),是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。目前,发光半导体材料主要由III-V族元素组成,例如磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs),氮化镓等等。

LED具有以下特性：

1、高效节能：以相同亮度比较3W的LED节能灯333小时耗1度电，而普通60W白炽灯17小时耗1度电，普通5W节能灯200小时耗1度电。

2、超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不许震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时。

3、健康：光线健康光线中含紫外线和红外线少，产生辐射少（普通等管线中含有紫外线和红外线）。

4、绿色环保：不含汞等有害元素，利于回收，普通灯管中含有汞等元素。

5、保护视力：直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）

6、安全系数高：所需电压、电流较小，安全隐患小。

7、市场潜力大：低压、直流供电，太阳能供电。

传统的LED主要应用于信号显示领域、建筑物航空障碍灯、航标灯、汽车信号灯、仪表背光照明，如今娱乐、建筑物室内外、城市美化、景观照明中应用也越来越广泛。但是目前LED光源的寿命还不能达到所标出的100，000小时，实际寿命约在50，000小时左右，这主要与其散热方面的问题有关。在很小的空间里，随着功率的加大，半导体组件就会过热。再者，白色LED还不能达到普通灯泡所具有的亮度。

LED应用前景广阔,就拿白光LED来讲,不过在讲白光LED之前,我们先看看目前所用的照明灯光源的状况:白炽灯和卤钨灯,其光效为12 lm/W～24 lm/W;荧光灯和HID灯的光效为50 lm/W～120 lm/W。对白光LED:光效为15 lm/W～50 lm/W,比一般家用白炽灯或卤钨灯相近甚至还高,这完全能达到照明领域的需要。而且随着LED照明的技术日趋完善,逐步发展到大功率的LED,采用大功率LED为光源,人的视觉效果柔和、均匀,并且大功率LED均采用恒流驱动,无频闪,长时间工作环境下眼睛没有疲劳感,是未来绿色照明产品。 众所周知,目前中国能源日益紧缺,然而LED照明可大大达到节电目的,据有关资料理论测算,全国大概只要有1/3的白炽灯被LED灯取代,每年就能为国家节省用电近1 000亿度,相当于一个三峡工程的年发电量。

二、荧光灯管的结构及其放电发光原理

荧光灯管，属低压气体放电发光的新型电光源。因具有光效高、节能、显色性能高等技术特点，被制做成U型管、螺旋管、环型管、细管径直管等形状的节能灯，广泛地应用于室内外环境照明。

但是在实际照明中，荧光灯管的亮度会慢慢地变暗，照明质量降低。这种现象实际上就是荧光灯管光衰现象。

（一）荧光灯管分类：

1、荧光灯管按气体放电性质来划分：有热阴极弧光放电型和冷阴极辉光放电型两大类型。应用于照明领域的荧光灯管，都属于热阴极弧光放电型荧光灯管。

2、按管径大小分

1）直管型荧光灯管按管径大小分为：T12、T10、T8、T6、T5、T4、T3等规格。规格中“T+数字“组合，表示管径的毫米数值。其含义：一个T=1/8英吋，一英吋为25.4mm；数字代表T的个数。如T12=25.4mm*1/8*12=38mm。

2）荧光灯管管径与其电参数的关系：

①荧光灯管，管径越细，光效越高，节电效果越好。

②荧光灯管，管径越细，启辉点燃电压越高，对镇流器技术性能要求越高。

管径大于T8（含T8）的荧光灯管，启辉点燃电压较低。相对于220V、50Hz工频交流电，符合启辉点燃电压小于1/2电源电压定律。可以采用电感式镇流器，进行启辉点燃运行。

管径小于T8的荧光灯管，启辉点燃电压较高。相对于220V、50Hz工频交流电， 不符合启辉点燃电压小于1/2电源电压定律。不能采用电感式镇流器，进行启辉点燃运行。管径小于T8的荧光灯管，必须匹配电子式镇流器。由电子式镇流器，产生启辉高压，将荧光灯管击穿点燃。尔后，由电子式镇流器，驱动荧光灯管点燃运行。

（二）荧光灯管结构：荧光灯管有：玻璃管、灯头、灯管阴极、发光荧光粉、放电气体五大部分组成。

1)、玻璃管：玻璃管是荧光灯管的主体，也是荧光灯管的外壳。其内壁用于涂敷发光荧光粉。

2)、灯头：灯头主要用于固定支撑灯管阴极，和实现荧光灯管与灯架的电气连接。

3)、灯管阴极：灯管阴极又有导丝、灯丝、电子粉三部分组成。灯管阴极主要功能，是预热荧光灯管、发射电子、促使放电气体电离，启辉点燃荧光灯管。

4)、发光荧光粉：发光荧光粉主要是吸收紫外线，通过量子转换，将紫外线辐射转换为可见光。

5)、放电气体：放电气体由氪（Kr）、氩（Ar）和汞（Hg）惰性气体组成。主要用于荧光灯管，通过气体电离产生紫外线辐射。

（三）荧光灯管放电发光原理：

荧光灯管放电发光原理：荧光灯管通交流电后，由阴极灯丝产生交变电场。管内的汞（Hg）气体，在交变电场和阴极灯丝发射的电子共同作用下。汞（Hg）气体原子不断地获得能量，从原始基态被激发成激发态，而后由激发态返回到原始基态。汞（Hg）气体在这个基态－激发态－基态，能量变换过程中。将交变的电场能量转变为253.7nm的紫外线辐射（同时产生185nm的紫外线辐射）。荧光灯管内壁上的发光荧光粉，吸收253.7nm的紫外线辐射能量。通过量子转换，将253.7nm紫外线辐射转换为可见光。

第8篇：半导体芯片原理范文

关键词：电容触摸屏；投射式电容屏；高透过率；宽湿环境；抗冲击性能；抗电磁干扰

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）04-0041-03

现代的军事作战方式，需要的电子设备越来越多，环境也多在非常规情况，甚至极端恶劣，因此提高军用电容式触摸屏实用性、高稳定性及安全性至关重要。研发高透过率、宽温工作、抗冲击性能、抗电磁干扰性能以及安全保密性能优越的电容式触摸屏产品，使之满足军工装备的要求是本文介绍的重点，以下是针对军事上这些使用需求展开的具体研究方案。

一、高透过率研究

高透过率是电容触摸屏主要特征之一，采用光学薄膜干涉原理，同时在玻璃基板上镀制一定膜系结构的纳米光学多层膜，将玻璃可见光透过率由89%提高到96%以上，表面反射光由8%下降到2%以下，如双面镀制四层AR膜系，透光率可高达98%以上，反射率下降到1%以下，外强光下高透无反射，防眩光，有高清润眼功能，同时也能改善触摸屏蚀刻色差现象，这为缓解士兵视觉疲劳，提高作战能力提供帮助。

高透过率研究方案：AR+ITO触摸屏玻璃可以大幅度提高平板显示器在强光环境中的对比度和清晰度，双面AR镀膜达到更高透过率。因此高透过率主要从工艺制程上分析：

双面镀AR膜流程图：

制程过程中影响透过率的参数很多，面阻值=电阻比/膜厚，低面阻值ITO玻璃镀膜，电阻比越低越好，ITO薄膜的导电性要好(面电阻低)，膜厚要增大，因此薄膜的穿透度会降低，考虑高穿透率，膜厚的设计必须避免建设性的干涉，所以nd=(2m+1)λ/4，m=1，2，3，4…。另外基板温度以及镀膜中氧分压的大小等各种参数相互影响相互制约，预研工作中将对其进行仔细分类，并逐一实验研究。

二、宽温环境下应用研究

在高温环境下，一方面要选择耐温材料，另一方面需要针对自身热源的散热系统研究。电容触摸屏的发热部分在芯片以及身后液晶模块组件，sensor本身没有多少热量，对于sensor来说，更多的需要去隔热。关于散热在设计时需要注意给其留一定的空间，利于

热量的散发，最后有必要的话可以用单面铜膜覆盖散热。空气有着非常好的隔热性能，这样需要在电容触摸屏底部四周加隔热橡胶，使其与下面的显示屏或主机隔开，能有效阻止显示屏或主机的热量传递。另外，国外已经开发出一种新型半导体器件，能在加电的情况下产生制冷效果，目前还未普及，价格也非常昂贵。但是可以借鉴其理论自主

研发，将其运用在电容触摸屏的抗高温上。

在低温下需要考虑的是加热，加热的途径很多，电阻加热、加热板等，相对于抗高温还是比较容易实现的。

宽温应用研究方案：电容式触摸屏在高低温下应用，除了耐温材料的选择外，其中对FPC上散热和加热也是主要研究方向。散热的实现主要是将热量迅速传导到大面积板上，扩大发热面积。简单地可以在芯片上覆盖铜膜，扩大散热面积。为更进一步适应军事上的要求，可以采用半导体温差电片给芯片散热以及加热。

半导体制冷片原理如图2，在原理上，半导体的制冷片只能算是一个热传递的工具，虽然制冷片会主动为芯片散热，但依然要将热端的高于芯片的发热量散发掉。在制冷片工作期间，只要冷热端出现温差，热量便不断地通过晶格的传递，将热量移动到热端并通过散热设备散发出去。因此，制冷片对于芯片来说是主动制冷的装置，而对于整个系统来说只能算是主动的导热装置。所以需要将散热端与外壳连接，利于散热，使芯片脱离高温环境。

半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，在军用其它方面：如导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统，将都会有一定的借鉴作用。

三、抗冲击性能研究

电容触摸屏表面贴合的Cover Lens采用高强度钢化玻璃材料，提高抵抗撞击能力，同时结合抗振动性能，可以缓冲表面撞击，从而实现抗冲击性能。

抗振动冲击可以从硬性抗震动和柔性抗振动方面着手。所谓硬性抗振动，就是在电容触摸屏与显示屏或主机贴合时使用强力的粘合胶，使两者牢牢地合在一起，当然也可以用其它包括螺丝等手段，目的是使电容触摸屏与整机牢牢地结合在一起。优点是电容触摸屏安装简易方便，缺点是整机在振动时，电容触摸屏也随之一起振动，不能对振动起到缓冲作用，在受到表面撞击时也易损。所谓柔性抗振动，就是电容触摸屏与整机之间有弹性的连接，在振动时两者之间存在弹性形变，在停止振动后即无形变，这个弹性的形变可以忽略，不会对准确度产生影响。柔性抗振主要采用橡胶或者弹簧等材料实现。其优点是振动幅度比客户端小，能缓冲振动，缺点是安装比较繁琐。

硬性抗振动和柔性抗振动各有其优点，各有其缺点，重点将两者结合起来以实现各自优点，高强度钢花玻璃材料和两种抗振方式的结合是研究的重点。

抗冲击性研究方案：从材料方面：高强度Cover Glass种类不同，效果不同。钢化玻璃又称强化玻璃。它是用物理的或化学的方法，在玻璃表面上形成一个压应力层，玻璃本身具有较高的抗压强度，不会造成破坏。当玻璃受到外力作用时，这个压力层可将部分拉应力抵消，避免玻璃的碎裂，虽然钢化玻璃内部处于较大的拉应力状态，但玻璃的内部无缺陷存在，不会造在成破坏，从而达到提高玻璃强度的目的。

钢化玻璃的抗弯强度比普通玻璃提高3倍，抗冲击强度比普通玻璃提高4～6倍，热稳定性比普通玻璃提高3倍多，因此，它在遭受外力时，不易破坏，即使被破坏时，它的碎片呈花生米似的小颗粒状，没有刃口，不会伤人，能达到安全的效果。当钢化玻璃在Sensor上使用时，其抗风压系数比普通玻璃大得多。

在层与层之间贴合是使用透明光学胶。贴合过程对环境要求很高，如果在贴合过程中有尘埃落入，那么就不能返修，整个屏就会报废。我们对光学胶的贴合积累了丰富的经验，能有效地解决此问题。

从结构方面，采用橡胶等软性材料在产品周围或其它部位做加固，同时利用外部整机结构做调整，提高产品抗振动性能。对整机产品的了解也是需要我们做的研究工作之一。

四、抗电磁干扰研究

电磁干扰对电容触摸屏的影响主要有两部分，分别是对Touch Sensor的干扰使得触摸偏移和对电容触摸IC的干扰使得芯片无法正常工作。

对Touch Sensor的电磁干扰，要求IC具有强有力的甄别信号能力，准确判断是否受到电磁干扰，IC中倍压电路设计尤为重要，在电流增加的情况下提高信号输入可以有效降低Touch Sensor受到的电磁干扰。但同时功耗增加，这对于手持式等设备又是不利

因素。

对IC的电磁干扰，一方面要求自身的抗干扰能力，另一方面可以从结构上进行屏蔽设计研究。

抗干扰研究方案：在军事作战的恶劣气候与复杂电磁环境下，为了提高产品的抗干扰性能，一方面在完成PCB印制电路板的过程中，要考虑到数字地与模拟地之间的干扰，以及对于芯片本身封装的情况，要避免PCB板中走线之间的电磁干扰。在多层板中，模拟地和数字地应各占一层，同时对有可能造成相互干扰的信号线要采取走不同层的排版方法，这样可以减少信号线之间的电磁干扰。对于一些硬件连接，走线间隔、走线角度都应注意，间隔不宜过窄，角度应避免直角和锐角；在芯片与芯片之间联结时，还应注意输出信号的电压阀值和信号时序是否与另一芯片输入信号相匹配。在很多情况下，为了滤除信号的噪音、高频分量等干扰，还必须引入RC滤波电路，该电路中电容的选取也至关重要。

软件设计采用以PSoC混合信号阵列架构为基础，CSA（CapSense Successive Approximation）逐次逼近电容的感应式。CSA感应方式具有好的抗干扰能力，高的探测灵敏度，同时可以调节分辨率。

五、设备安全性研究

军事上对数据准确度及使用保密性的要求不同于民品，必须保证每次数据是正确的，并保证信息不外泄。基于此理念，正在积极研究军用电容触摸屏使用时具备应答校正功能，每次整机从芯片读回数据，下一步整机再将读回的数据再传给电容触摸芯片，电容触摸芯片去校验是否和刚才发送的数据一样，并将是否一样的结果再发送终端处理，这样就完成了一个数据的读取。同样，每次整机往电容触摸芯片发送数据，电容触摸芯片随之将收到的数据返回整机，并等待整机发来的校正结果，这样就完成了一个数据的发送。这样校正既可以确保数据的准确性，同时也实施了认证加密过程，虽然会损失一些时间，但在目前飞速发展的单片机环境下可以忽略。

设备安全加密方案：在电容触摸屏芯片中，接口方式有I2C、SPI、USB等。以I2C为例来阐述加密

方案。

I2C接口返回的数值一般没有同时发送校验码，这会造成客户端读取的数据无法校正正确性。故需要在芯片端增加校验措施，能接受数据并进行校正，并能发送数据并发送校验码。

I2C总线一个完整的数据传输过程，包括：起始信号、寻址字节、应答、数据字节、应答、数据字节、应答直到停止信号。其中，寻址字节高7位为地址，最低位为读写控制(1表示读，0表示写)。总线发送顺序是由高到低，即首先发送高位，再发送低位。鉴于数据安全性考虑，需要在电容触摸芯片中增加数据校验的功能，可以采用CRC或奇偶等校验法。使电容触摸芯片能在接受数据后按校验算法进行校验，紧接着核对接收到的校验码，核对后将结果发送给客户端，客户端根据结果进行下一个指令的发送或者重新发送本次指令。同样的，在电容触摸芯片向客户端发送数据后能发送校验结果，用于客户端的数据校验。

客户端向电容触摸芯片发送指令的原理步骤：

第1步。客户端通过I2C发送数据，并按一定策略获得校验码，并保存结果。

第2步。客户端通过I2C总线将校验码传给电容触摸芯片，同时电容芯片用相同校验算法进行校验。

第3步。电容触摸芯片将计算出的校验码和接收到的校验码核对，并将结果发送给客户端。

第4步。客户端对比两端的校验结果，判断校验是否通过。流程图如图3所示：

客户端从电容触摸芯片读取数据是以上流程的逆向思维，原理类似，通过引入I2C的校验措施，有效增强了系统安全性，杜绝了传输数据出错。

六、结语

电容式触摸屏高稳定性能的研究方案，主要通过材料结构工艺以及软件设计方面，制定多项材料搭配与工艺流程方案，并制作多组与之对应的样品，通过实验室模拟作战中面对的各种复杂恶劣环境，测试多组产品在不同恶劣环境下的性能表现，统计分析技术参数的变化，进行优化产品。

参考文献

[1] PSoC 体系结构与编程: 戴国骏 张翔 曾虹 ITO导电玻璃及相关透明导电膜之原理及应用[M]．中国科学技术出版社， 2005.

第9篇：半导体芯片原理范文

【关键词】速热脱气 STM32 真空脱气

【关键词】速热脱气 STM32 真空脱气

1 引言

随着新增了《0931 溶出度与释放度测定法》的2015版《中国药典》，市场对药物溶出设备的需求越来越多，而药物溶出所要使用的纯化水必须经过脱气处理，从而使得快速而高效的真空脱气设备也有了广泛的前景。目前市面上的真空脱气设备，多以储罐式为主，都采用加热，循环，抽真空等方式，需要反复循环，脱气时间较长，一旦容量用完则需要重新准备。对于一次性需要大量纯化水的场所，该种方式就存在缺陷。本系统主要介绍了一种能快速加热脱气，脱气效率高，无限量供应的系统。

2 系统的原理及构成

2.1 系统原理

本系统采用加热与脱气膜相结合的方法进行脱气，利用脱气膜的扩散原理将水中的气体去除。工作时，水流在一定的压力下从脱气膜里面通过，而膜外面在真空泵的作用下将气体不断的抽走，并形成一定的负压，这样水中的气体就不断从水中经脱气膜向外溢出，从而达到去除水中气体的目的。而在水进入脱气膜前就预先加热，使得氧气在水中的溶解度降低，增加了脱气效果的有效性。系统原理图如图1。

2.2 系统构成

本系统系统主要有脱气单元、快速加热单元、检测与控制单元和人机界面单元组成。

2.2.1 脱气单元

该单元的材料选型是个关键，本系统选用聚丙烯中空纤维膜，利用该材料的疏水特性，即水不能透过膜壁，而气体可以透过膜壁而改变气体在水中的溶解度。该材质温度耐受范围可以达到0～90℃，使用PH范围1～14，具有较高的化学稳定性，不会对水质产生影响，然后根据水通量、孔隙率和透气率来选择规格尺寸。

2.2.2 快速加热单元

该单元是采用陶瓷半导体PTC材料作发热体，陶瓷PTC 热敏电阻通过掺杂一种化学价较高的材料后，得到了一定数量产生导电性的自由电子。利用其半导体空穴原理，实现电子氧空位，促使电子在场强条件下产生碰撞，使电能转化为热能彻底的水电分离技术。其特点是：真正水电分离、使用安全、热效率高、经久耐用、无明火、耐酸碱等。

2.2.3 检测与控制单元

该单元的主芯片选用意法半导体（STMicroelectronics）STM32F103VCT6作为核心的处理器，主要完成流速、温度、真空度检测，AD转换，通过逻辑分析、判断，输出快速加热单元的PID恒温控制信号、真空泵启停控制信号和电磁阀开合控制信号，同时，显示系统运行状态，实现人机界面的显示和输入。检测与控制单元框图如图2。

本系统分别采用FS21-VL1-300，PT100，MPX2100DP 等检测元件和传感器，对系统的流速、温度和真空度进行采样，信号经过放大和滤波后，使用STM32自带的12位AD进行数模转换，从而得到相应的参数，再根据这些参数对相关部件进行控制。

同时，在根据液体的流速、液体的比热和入口液体温度范围和液体加热目标温度范围等条件，选定加热器的功率后，需要对其进行精准控温，使出口水温符合药典中溶出度试验要求的温度。本系统采用可控硅调压电路，市电经过降压以后，通过过零检测电路，获得一个交流过零中断给STM32，而STM32根据该中断，通过PID算法，计算出可控硅的导通角时间后，启动内部定时器，调整定时时间来开通可控硅，来进行调节控温。

当系统各参数符合特定要求时，将实现纯化水只需一次流过，就能高效脱气，无需循环多次，省时、省力、提高工作效率。

2.2.4 人机界面单元

本系统采用7寸TFT和4线制电阻屏作为最终人机界面单元。单元内部采用ALTERA公司的MAXII CPLD EPM570T144 搭配Winbond公司的W9846G6JH SDRAM的方式驱动RGB接口显示屏，在STM32的16位并行总线接口与RGB接口之间实现转换的同时还提供了一系列实用功能，工作稳定性方面本模块具备超强抗干扰能力，远远超越市场上的SSD1963驱动方案，SSD1963抗干扰差，有死机白屏的风险。

触摸输入上采用4线制电阻屏，虽然现在市场上电容屏已经得到了广泛的运用，但是考虑到本系统服务的对象多为药检所、药厂、化工厂等的检验部门，操作员一般都需要戴手套操作，且容易有液体溅在屏上，目前市面上可以带手套操作的电容屏有限，对所使用的手套也有一定的要求，所以综合考虑，还是选用压触方式的电阻屏比较适合。本系统采用XPT2046四线制电阻触摸屏控制芯片，内含12位分辨率125KHz转换速率逐步逼近型A/D转换器，采用 SPI 3线制接口与STM32通信。

3 系统软件开发环境及结构

3.1 软件开发环境

系统控制软件的开发采用IAR Embedded Workbench for ARM集成开发环境，其集成编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试等功能于一体，是一个易用、高效的软件开发环境。

3.2 软件结构设计

（1）本系统采用ST官方提供的固件函数库V3.50，该函数库是一个固件函数包，它由程序、数据结构和宏组成，包括了微控制器所有外设的性能特征。通过使用本固件函数库，无需深入掌握细节，用户也可以轻松应用每一个外设。因此，使用本固态函数库可以大大减少用户的程序编写时间，进而降低开发成本。

（2）界面显示则采用UCGUI方式来开发，UCGUI是一种嵌入式应用中的图形支持系统。它设计用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口，它适用单任务或是多任务系统环境，并适用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。它的设计架构是模块化的，由不同的模块中的不同层组成，由一个LCD驱动层来包含所有对LCD的具体图形操作。

在完成UCGUI在STM32芯片上的移植后，就是各驱动模块设计，包括使用STM32的FSMC功能配合CPLD的实现TFT屏显示；使用SPI接口对触摸屏的坐标定位；使用内部AD进行对纯化水的温度、流速，脱气单元的真空度等参数进行转换；使用过零中断和PID算法对快速加热单元进行精准控温；使用GPIO口配合驱动电路控制电磁阀从而改变纯化水流路。

4 结论

基于STM32的速热真空脱气系统，可用于药物研究、制药、化工等行业，完全符合《中国药典》的规定，解决了已有的对真空脱气处理的技术中存在的效率低下、脱气效果差以及成本偏高的问题，可代替人工煮沸法和其他的脱气方法，省时、省力，提高工作效率。

参考文献

[1]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京：化学工业出版社，2012（07）.

[2]刘军.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011（04）.

[3]刘波文.ARM Cortex-M3应用开发实例详解[M].北京：电子工业出版社，2011（02）.

[4]意法半导体.STM32中文参考手册（第10版）[Z].意法半导体（中国）投资公司，2010.