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微电子技术的分类 时间：2010/03/04 11:27 点击：576 自从1947年发明晶体管、1958年第一块半导体集成电路诞生，微电子技术经过近半个世纪的高速发展，已经对人们的生活产生深刻影响：在美国，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年的手工工作量；在日本，每个家庭平均拥有100个芯片；在我国，公共IC卡、信用卡、小区智能卡、电子手表、手机、洗衣机等日常生活用品也都靠芯片支撑。近些年，微电子产品更是凭借其体积小、重量轻、稳定可靠、功耗小、成本低等优点广泛应用于卫星通信、高速计算机、精确制导、预警探测、情报侦察、电子对抗、智能火控等军事装备中。一、半导体器件及大规模集成电路SOC半导体集成电路是微电子技术的精华，是现代信息科学的核心，半导体集成电路正在日新月异地向前发展，其主要特征的集成度一直遵守摩尔定律按照比例缩小原则不断更新换代，性能也在不断提高。在制造技术方面，元件尺寸正按每年40%的比例缩小。预测到2010年最小元件尺寸将达到0.07um。在集成度一代代提高的同时，芯片的性能、功能不断增强，而价格却不断下跌。这一现象的深远意义在于，随着微电子芯片技术的快速发展，一切微电子产品(计算机、通信及消费类产品等)也加速更新、换代；不仅新一代产品性能、功能大大超过前一代，而且价格的越来越便宜又为电子信息技术的不断推进及其迅速推广应用到各个领域创造了条件，导致了人类信息化社会的到来。一般常以动态存贮器(DRAM)芯片的存贮容量来代表IC芯片的集成度，用微处理器(MPU)芯片的主频来衡量当时IC芯片能达到的速度。当前IC已达到特大规模集成(ULSI集成度大于108)阶段，DRAM最高的已达到256兆位(256Mbit)，按摩尔定律推算，预期到2012年前后可达256吉位(256Gbit，1吉位=103兆位)。一套大百科全书的信息容量约为1Gbit，人脑的信息贮量为4Gbit，这表明当前的3个DRAM芯片已几乎能存下一套大百科全书的全部信息，而到2012年1个256Gbit的DRAM芯片的信息容量将等于64个人的脑子。当前高速PC机的MPU工作频率可达500兆赫(MHz)，预期到2012年左右可达到10吉赫(10GHz,1吉赫=103兆赫)或更高。这些数值表明，21世纪的微电子技术将获得更高速的发展。集成电路的迅速发展，使其应用越来越多，越来越广。据统计，其应用的分布大致是：电子计算机及数据处理约占39，家用电器及消耗类电子产品约占30，工业自动化设备约占11，国防军事约占9，其他占11。集成电路已经被广泛应用于社会的各个行业。例如，普通机床采用微电子技术，通过改造就可以转变成为数控机床，于是其加工的品种就产生了很大的变化，其加工精度和效率将大幅度提高，因而效益将大大增长。再如，轻纺工业引入微电子技术，其产品设计及试制速度明显加快，新型的花色品种层出不穷，产品质量大幅度提高。又如，印刷工业采用了微电子技术排版不再采用铅字，文字的增添、删除、编排，字体的选取等都在计算机上进行，在很短的时间内就可以全部按需要设置完成，与传统印刷工业改动一字就要涉及全局已不可同日而语。集成电路的应用不仅仅是在工业方面。在商业领域，由于微电子技术及计算机的应用，使传统的账册产生了根本的变化，账目的登录、统计、查询、存储都产生了根本的改变，于是有了大超市、大卖场，这在20年前是不可想象的。如果说传统行业引入微电子技术后提高了生产效率，那么微电子技术社会发展的阶梯与其他技术的结合和渗透又发展成新的技术。例如，它与光电子技术和新型光纤材料相结合产生了光纤通信技术，它具有通信容量大、传输损耗小、抗电磁干扰性能好、保密性强、成本低、制造容易、寿命长等特点，因此得到了广泛的应用。再如，卫星通信也是微电子技术和空间技术相结合而发展起来的新技术，由于卫星通信视角广、视野大、距离远，很容易实现长距离洲际通信。又如，以微电子技术为核心的机器人，已进入智能化阶段，它将大量地在加工工业中得到应用，并在大量繁重的、复杂的、高压的、污染的，以及不适合人类工作的场所大显身手。在特殊技术领域，微电子技术发挥的作用更是不可小觑。1现代信息战所谓的信息战就是围绕信息的搜集、处理、分发、防护而展开的攻防战。现代战争中，信息战成为决定胜败的重要因素，将成为未来世界的主要战争形态。信息战包括所有作战活动，其中有对敌信息及信息系统实施信息窃取、篡改、删除、欺骗、扰乱、阻塞、干扰、瘫痪等一系列的入侵活动和计算机病毒攻击，最终使敌计算机网络无法正常工作。据专业人士透露，海湾战争期间，数以百计的美国军事机密文件被黑客从军方的计算机中窃出，提供给了伊拉克。其中既有部队的调动情况，也有战术导弹的具体实力与部署方案。黑客找到一个美军的站点后，就不停地对系统口令进行无休止地猜测，直至系统最终被攻入为止。他们一钻进去，就从系统里精心挑选并偷走他们想要的有价值的情报，他们既知道爱国者导弹的战术技术参数，也对海湾地区水面上游弋的美国军舰一清二楚。随着信息技术的广泛应用和信息化战争的深入发展，信息战也登上了更高的层次，与此同时，一种全新的威慑方式信息威慑应运而生。拥有先进的信息武器装备是进行信息战和信息威慑的物质基础，是夺取和保持优胜权的基本前提，也是赢得未来信息化战争的基本前提，而这些，都离不开微电子技术的发展和应用。2窃听装置几千年来，特工们进行情报搜集活动的本质没有发生太大的变化，只不过其中的技术含量在不断提高。各国情报机构在研制特工专用器材和技术方面都进行了大量投入，现代特工的装备及其技术手段的复杂性与创新程度，已远非特工鼻祖们可以想象。例如，安装在鞋子里的发射装置，可以通过卫星接收其信号以判定其具体方位，而特工手中的电子扫描仪可以直接将文件的内容记录下来，再通过先进的装置直接传回总部，从而缩短了以往偷拍和传递的过程，使危险程度得以降低。先进的微电子技术成果为特工的活动提供了便利，使特工们增添了获取情报的途径。目前，已经公开并得到实战应用的侦听术手段多达十几种，从早期的简易窃听器到今天的高科技窃听手段，真正做到了隔墙有耳、无密可保。如由送话器和发射机构成的简易窃听器，通常被放置在家具里、地板下、吊棚顶上或灯罩内，也可以把它们伪装成计算器、打火机、自来水笔或手表等。随着微电子技术的发展，窃听器开始向微形化发展，现在的微型无线窃听器体积仅有手指甲盖大小，重量不到3克，使用纽扣电池供电，发射距离达200米，可连续工作48小时，话筒拾音范围20米，可以轻易藏在台灯、烟灰缸、钢笔、手表或打火机内。有的无线窃听器还可对无用信号进行压缩和抵消，只取出需要窃听的有用信号，即使在喧闹的舞厅或闹市，也可以收到目标清晰的谈话。再比如发生在2006年的俄罗斯“石头间谍案”，那块神秘的“石头”就是英国情报部门专门研制的被称为“电子死点”的新型窃听器。其核心部分是可储存数兆字节秘密数据的微型计算机，可隐藏在人造石头等物体内部，利用先进的无线或蓝牙技术收发信息。行动时，特工只需要带一部便携式电脑并知道相应密码，当他走近“电子死点”时，只要能被石头中的传输装置识别就可传送秘密文档。另外一个特工会在约定的地点和他不期而遇，同样借助便携式电脑查询并接收最新情报。3拍照摄像拍照摄像技术是最常见的一种窃取术，也是微电子技术应用最为广泛的领域之一。如微型摄像机就是由微型望远镜头和传声器组成，它可以伪装成挂钟、手表、打火机等日常用品，也可以混杂在普通活页文件里放在书架上。早在冷战时期，苏联“克格勃”的摄像技术就很高超，具备将大张图纸拍摄井缩小成“微点”的技术，一粒“微点”底片能将一整页纸的文字缩小到针尖大小，再将这些情报贴在普通邮票背面，借助邮票的胶水保护底片不受损，然后通过中转站转到莫斯科，总部收到这些“微点”后，再经过特殊仪器的处理将其放大，以便获得情报。再比如，有一款被称为“詹姆斯邦德数码相机”的数码相机，外观酷似ZIPPO打火机。这款数码相机可以拍摄150张640480像素或310张320240像素的照片，可以录制25秒有声动画，还能够作为摄像头使用，支持8分钟的录音，并可以作为U盘存储数据。该相机拥有抓拍模式，可以每隔1、2、5、10、20、45、60、90分钟自动拍摄图片，还可以立刻删除所有图片。受技术进步和利益驱动的影响，全球各大摄影器材制造商也纷纷推出适应特种用途的产品。2005年，Orbbit公司推出深受特工青睐的德国Minox（米诺克斯）小型微型照相机的时尚改进版DV 250 PLUS。DV 250 PLUS摄像机伪装巧妙，只有扑克牌大小，重仅5两，秘密摄像头能实现270度旋转，超长锂电池，像素为300万。对于摄像机来说，好的芯片机器具有优良性能的保证。因此，要想在监控行业里占据一席之地则需要对芯片技术的不断更新升级。据悉，目前市场主要的日韩厂家纷纷大打芯片技术升级之战，LG、松下、Sony等均纷纷更新并推出了优化以后的摄像机芯片。LG新推出的XDI系列智能芯片，具有良好的色彩还原性，彩色模式下水平清晰度可以达到570线，同时具有独特的色序矩阵结构，能够在更广的色温范围内适应光源色温的变化；具有良好的WDR处理单元，3D-DNR噪声抑制滤波器，能有效增强图像细节，降低图像噪声；低照度无缝拼接转换处理技术，数字慢快门技术，能够在短时间内完全智能化切换。此外，松下再一次将芯片进行升级更新，推出了SD5系列芯片。该芯片不但能使摄像机获得高清晰画面，还能实现智能化的控制，如加入人脸识别技术。Sony公司也不甘示弱，如高灵敏度摄像机、宽动态摄像机均采用Sony公司自主研发的SuperHADIICCD，该CCD芯片具有很高的灵敏度，在微光环境下依然能表现出色，水平分辨率达到540TV线，能使图像细节分毫毕现。DynaView+技术一直是Sony公司宽动态摄像机采用的核心技术，在经过不断优化之后，该技术也更加炉火纯青。国内某些企业也推出了采用高像素非制冷型焦平面热成像机芯组件，能在-40C+60C环境下连续稳定输出图像，满足工业、医疗、电子、科研、安全缉私、边防、侦查等众多要求。 在监视器、大屏拼接墙方面，DLP与LCD一直难分高下，各自具有独特的优势。据了解，DLP在拼接上缝隙比较小，显示对比度很高，常见的单元尺寸为50、60、67、84、100等，但DLP拼接墙的尺寸和占用面积比较大，功耗较高，长时间工作易产生亮度降低的现象。对此，市场上出现了利用无尘箱体，减少灰尘落入，以防影响亮度，并且采用双灯技术，内置两个灯泡，工作时同时发光，很大程度上提高了屏幕的亮度。而响石的LCD液晶拼接屏则采用了工控式控制，或以纯硬件嵌入式拼接技术，将每个单元作为独立的拼接处理系统，输入一个完整的信号和控制信号，由各单元独自处理，这样可以保证各个单元体所要处理的信号量较小，充分保证图像的清晰度与视频的流畅。这些产品的推出都为特殊用途提供了便利和可能，提高了信息获取质量。二微电子机械系统（MEMS）微电子机械系统（MEMS，Micro Electron Mechanical System）是在微电子技术基础上发展起来的一门新兴技术。它涉及微电子学、光学、声学、磁管、气动力学、流体力学与自动控制等多个学科。MEMS是通过半导体微细加工技术及微机械加工技术在硅等半导体基板上制作的一种微型电子机械装置，主要包括微结构、微型传感器、微型执行器、微型机器和系统。MEMS制作技术深受IC技术的影响，又有一套独特的创新技术，诸如本体微机械加工、表面微机械加工、 LIGA工艺等许多专用技术。早在20世纪60年代，美国就开始微电子机械的研究，到80年代初，微型硅加速度计、微型硅陀螺仪及微型硅静电马达相继问世。当前，世界各个大国对MEMS给予极高的重视：美国国防高级研究计划局（ARPA）等机构每年投资2000万美元，德国每年投资7000万美元，日本通户省（NITI）则拟订了一个十年内投资2亿美元的MEMS研究计划。在我国，信息产业部电子第十三所、清华大学、东南大学、复旦大学、北京理工大学等单位也都投入相当大的力量研究微电子机械技术。MEMS具有成本低、功能全、体积小、重量轻、机动灵活、功耗低、可靠性高、性能优异等特点，不仅能大量用于更新和装备现有武器系统，而且还有许多极具挑战性的军事用途。在MEMS结构中，微型传感器的出现给军事应用领域注入了新的活力。美国的一些研究部门采用微机械加工技术研究成功的微型加速度计可使火箭或飞船的制导系统的重量从几百克下降到几克。日本在20世纪90年代研制出的微型集成式光学编码器（包括微机械加工的光学系统），其工作原理基于衍射光的干涉，优点是超小（0.50.5）、超轻，同时分辨率很高。这种高性能传感器已用于军事通信和目标识别等用途。此外，MEMS无线电射频辨识技术（RFID）装置提高了物资在存贮和运输过程中的保存能力，为士兵提供合时的完好支援。为了验证MEMS无线电射频辨识技术的能力，美国陆军后勤改革局曾领导了两个面向高价值区域的传感器试验性验证。第一，与总部司令部、陆军装备司令部、陆军医疗物资局等在Sierra陆军补给站进行的可部署医疗系统中的设备的长期贮存条件监视验证；第二，对从美国陆军医疗中心欧洲分部运送到美国中央司令部战区的用户目的地的医疗设备、成套工具和用具进行的运送节点条件监视验证。这项验证是与联合自动化识别技术（JAIT）产品经理共同实施的。这两项试验验证了传感器技术特别适合于长期存贮和运送中可视化条件监视。对于长期存贮来说，传感器的数据比当前我们正在使用的指示器的数据更为精确、更为可靠。借助于无线电射频传送可视化（RFITV）或者电子邮件，可以接收预警，这就使得设备在运送过程中，可以提供关于装备在接收到其变化方向之前的一些可供行动的信息。1信息领域MEMS既可把传感器、执行器和数字电路集成在一个半导体芯片上，也可以把传感器、执行器和电路分别制造，再混合集成为一体。美国Rockwell研究中心、Hughes实验室、日本NEC研究中心都已研制出MEMS开关组合部件。HP公司用于移动通信的微波MEMS也于1996年问世。MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统将促进信息技术和光通信技术的飞速发展。2军事应用美国采用MEMS技术已制成尺寸只有10cm10cm的微型侦察机。这种飞机进一步改进后可以深入对方阵地收集情报，拍摄战场实况，甚至可以通过遥控使飞机进入对方指挥部，去干扰和破坏对方自动指挥系统。MEMS传感器还可探测化学战场上的有毒气体。用无人驾驶飞机可以把成千上万的微型MEMS散布到天空，组成战场传感网络，通过远距离指令，可有效收集对方目标、方位、特征等信息。2001年3月，美国就研制出一种微型“生物发动机”，它是一种混合式纳米MEMS，其能源是人体细胞本身的能量，即三磷酸腺苷酸。该微型机器的桨叶长度为0.75m，直径为0.15m。这种微型机器有望用来装备纳米电脑或用于注入血管中疏通被堵塞的血管。可把该机器作成纳米直升飞机。除此以外，（1）分布式战场微型传感器网络。可以准确地探测与查明敌人的作战部署与军队调动的新型探测系统和探测装置。这种微型机电系统在布设、耐久和易损性等方面有明显的优点。 （2）灵巧蒙皮（或表面）。这将是微型机电系统做成的一种特殊的具有“防卫特性”的材料，它具有程序控制和动态可调整等特