电子信息科学与技术导论（第三版）课件 第7-11章 控制科学与工程-网络信息安全

第七章控制科学与工程“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《电子信息科学与技术导论》第三版

在生产和科学技术的发展过程中，人类发展了自动控制技术；人们在日常生活中也随时随地享受着自动化带来的便利。随着计算机技术的发展，“自动化和控制科学”同计算机技术相结合形成了“控制科学与工程”一级学科。自动控制技术不仅广泛应用在工业生产部门，在宇航、机器人、导弹制导及核动力等领域，自动控制更具有特别重要性；自动控制还应用到了生物、医学、环境、经济管理等领域；而目前，随着人工智能技术的发展，控制方式正在由自动化朝着智能化的方向在发展。“控制科学与工程”是电子信息科学技术领域中研究“信息利用”的学科。与该学科相关的有多个大学本科专业，如：“自动化”、“测控技术与仪器”、“材料成型及控制工程”、“电气工程及其自动化”、“机械设计制造及自动化”、“过程装备与控制工程”、“机械工程及自动化”、“制造自动化与测控技术”等。本章简介控制科学与工程的主要技术、理论、应用和发展，以便读者对本学科有一个基本的了解。前言第七章控制科学与工程7.1自动控制和自动控制系统概述

7.2智能控制中的理论与技术

7.3自动控制系统的控制方式

7.4自动控制系统的性能指标

7.5工业信息化与智能制造7.6智能机器

7.7中国在工程控制方面的成就

7.1自动控制和自动控制系统概述7.1.1基本概念电梯由于有自动控制才能准确地仃在各相应楼层。卫生间用的抽水马桶是一水量自动调节的闭环自动控制系统。空调、冰箱、电热水器是一个温度自动调节的自动控制系统。自动洗衣机采用了多种自动控制技术。移动通信手机的发射功率会随着手机与基站距离的远近而自动调整。自动控制无处不在！1，什么是自动控制？自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，使被控对象的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制技术在炼钢、轧钢、化工、石油、电力、造纸、纺织、皮革、食品和医药等工业中广泛应用。没有自动控制技术现代工业生产将无法进行。航空、航海、汽车和铁路运输离不开自动控制技术和系统。自动控制技术还应用于：通信、交通、医学、环境保护、经济管理、文字识别、语音识别和人工智能等领域。飞机、导弹、卫星、火炮、鱼雷、飞船都是复杂综合控制技术系统的集成。2，自动控制应用的广泛性3，什么是自动控制系统？自动控制系统就是为了实现各种复杂的控制任务，将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体。三、控制科学的发展及应用全自动柔性喷涂机器人（1）自动控制系统实例：由计算机通过控制电动机来带动机器人的手臂自动工作。计算机是控制装置，电动机是执行机构，机器人的手臂是被控对象，电动机的转速和机器人手臂的位置是被控量。由全球卫星定位接收装置、惯性导航系统、数字化地图及取景相机组成自动控制系统，自主控制导弹飞行，攻击精确度可达“米级”的误差水平。无论自动化装置，生物神经系统、动物生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的物理形态特征，都是一个自动控制系统，并可用通用模型对系统进行分析。（2）自动控制系统的通用模型：信息获取分析决策规则策略调节操纵管理指挥监督被控对象反馈自动控制系统的通用模型信息信息信息信息信息信息控制过程=信息传送过程（3）自动控制系统的通用信息模型传感器：获取信息。计算机：处理信息。通信机：传送信息。执行器：应用信息。控制科学与信息技术密不可分！整个控制过程是一个信息流通的过程，控制是通过信息的传输、变换、加工、处理和应用来实现的。20世纪70年代开始，控制论由工程控制论、生物控制论向经济控制论、社会控制论发展。电子计算机的广泛应用和人工智能研究的开展，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，从而控制论也向大系统理论发展。50年代末到60年代初﹐工程实践﹐尤其是航天技术的发展﹐涉及多输入多输出系统的最优控制问题﹐用经典的控制理论已难于解决﹐于是产生了以极大值原理﹑动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论。20世纪40年代用经典控制理论解决火炮控制﹑鱼雷导航﹑飞机导航等技术问题﹐逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。经典控制理论现代控制理论大系统控制理论7.1.2控制科学与技术的发展历程1，经典控制系统实例：1788年﹐J.瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题。1788年瓦特发明了离心调速器和节气阀蒸汽机离心调速器离心调速器瓦特的这项发明开创了自动调节装置的研究和应用的新时期，促进了控制科学的形成与发展。2，现代控制理论的主要内容理论核心：极大值原理﹑动态规划和状态空间法等控制方法和结构：自适应和随机控制﹑系统辨识﹑微分对策﹑分布参数系统和智能机器人为代表的智能控制、最优控制等。应用对象：面向大规模﹑复杂的系统﹐如大型电力系统﹑交通运输系统﹑钢铁联合企业﹑国民经济系统等；与计算机网络相融合﹐出现了管理信息系统﹑办公自动化﹑决策支持系统﹐并开始综合利用传感技术﹑通信技术﹑计算机﹑系统控制和人工智能等方法来解决所面临的工厂自动化﹑办公自动化﹑医疗自动化﹑农业自动化以及各种复杂的社会经济问题。在解决随之出现的自动调节装置的稳定性的过程中﹐数学家提出了判定系统稳定性的理论判据﹐使自动控制逐渐由经验走向科学。1948年诺伯特·维纳发表论著：《控制论（Cybernetics）——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，开创了一个新的学科领域—控制科学。3，大系统控制实例如：大型电力系统﹑交通运输系统﹑高铁自动化系统、钢铁联合企业﹑国民经济系统等。如：管理信息系统﹑工厂自动化系统﹑办公自动化系统﹑医疗自动化系统﹑农业自动化系统，以及柔性制造系统﹑决策支持系统﹑智能机器人系统等。如：探月工程系统、航天测控系统、导弹防御系统等。大系统控制理论研究的主要领域生物控制论神经控制论医学控制论仿生学人工智能社会控制论生产管理城市建设能源安全环境保护交通运输工程控制论大生产过程控制自动火炮控制导弹控制卫星、飞船控制机器人控制控制科学的印迹1932年1950~1960代1960~1970年代奈魁斯特（H.Nyquist）关于反馈放大器稳定性论文，开创了定量分析的闭环控制理论。随着计算机技术的发展，形成了智能控制理论和技术，电子信息科学技术与控制理论相结合，使控制系统显现出规模庞大，结构复杂，因素众多，功能综合的特点，使控制论向大系统理论发展，形成了一个新的学科——控制科学与工程。在空间技术发展的推动下，控制理论得到了大发展4，控制科学的发展控制科学与工程：是自动控制、计算机科学、通信技术、数学、神经生物学、统计力学和行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门交叉、综合性学科。

7.2智能控制中的理论与技术7.2.1模糊逻辑控制什么是模糊逻辑控制？就是对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是容许定义在二值之间的模糊地带。微处理器采用模糊逻辑之后，其控制能力更接近人类的思维方式。智能控制（IntelligentControl）研究将人类的智能，如学习、自适应和探索的能力引入控制系统，使其具有自学习、自组织、自动识别和自动判断、决策的功能。1974年，Mamdani提出了基于模糊语言描述控制规则的模糊控制器，将模糊集和模糊语言逻辑用于工业过程控制，之后又成功地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器的智能化水平有了较大提高。模糊控制的形成和发展，以及与人工智能的相互渗透，对智能控制理论的形成起了十分重要的推动作用。模糊控制技术是近代控制理论中的一种人工智能策略，是模拟人的推理和综合决策过程，使控制算法的可控性、适应性和合理性提高，它己成为智能控制技术的一个重要分支。模糊控制的主要技术：是根据系统输入输出信号模型进行模糊推理。推理是建立在模糊逻辑规则基础上的信息处理过程。模糊逻辑推理系统模糊控制己应用于家用电器、彩色电视显像控制等众多产品中！7.2.2专家系统1，专家系统概念:运用特定领域的专门知识，通过推理来模拟通常由人类专家才能解决的各种复杂的、具体的问题，达到与专家具有同等解决问题能力的计算机智能程序系统。2，专家系统的体系结构：

专家系统与传统的计算机程序系统有着完全不同的体系结构，通常它由知识库、推理机、综合数据库、知识获取机制、解释机制和人机接口等几部分组成。随专家系统的类型、功能和规模的不同，专家系统的体系结构而有所差异。3，专家系统类型：

诊断型专家系统：根据对症状的观察分析，推导出产生症状的原因以及排除故障方法的一类系统，如医疗、机械、经济等。

解释型专家系统：根据表层信息解释深层结构或内部情况的一类系统，如地质结构分析、物质化学结构分析等。

预测型专家系统：根据现状预测未来情况的一类系统，如气象预报、人口预测、水文预报、经济形势预测等。

设计型专家系统：根据给定的产品要求设计产品的一类系统，如建筑设计、机械产品设计等。

决策型专家系统：对可行方案进行综合评判并优选的一类专家系统。

规划型专家系统：用于制定行动规划的一类专家系统，如自动程序设计、军事计划的制定等。

监测型专家系统：对某类行为进行监测并在必要时候进行干预的一类专家系统，如机场、仓库监视，森林监测等。

调试型专家系统：对失灵的对象给出处理意见和方法。调试专家系统同时具有规划、设计、预报和诊断等专家系统的功能。可用于维修设备、调整、测量。

近十多年来，专家系统获得迅速发展，应用领域越来越广，解决实际问题的能力越来越大，专家系统的优良性能包括下列几个方面：

(1)专家系统能够高效率、准确、周到、迅速和不知疲倦地进行工作。

(2)专家系统解决实际问题时不受周围环境的影响，也不可能遗漏忘记。

(3)专家系统可以使专家的专长不受时间和空间的限制，以便推广珍贵和稀缺的专家知识与经验。

(4)专家系统能促进各领域的发展，它使各领域专家的专业知识和经验得到总结和精炼，能够广泛有力地传播专家的知识、经验和能力。

(5)专家系统能汇集多领域专家的知识和经验以及他们协作解决重大问题的能力，它拥有更渊博的知识、更丰富的经验和更强的工作能力。

(6)军事专家系统的水平是一个国家国防现代化的重要标志之一。

(7)专家系统的研制和应用，具有巨大的经济效益和社会效益。

(8)研究专家系统能够促进整个科学技术的发展。专家系统对人工智能的各个领域的发展起了很大的促进作用，并将对科技、经济、国防、教育、社会和人民生活产生极其深远的影响。

4，专家系统的优点5，专家系统的发展专家系统的发展使专家系统具有学习的能力具有处理常识的能力获取与更新知识的能力分布式专家系统发展不同层次解释的能力发展深层的推理能力专家系统是有着广泛用途的一类智能系统，其发展的总趋势是进一步提高智能：能经由感应直接接受外界资料；或由外部知识库获得资料；在推理机中能拟定规划，仿真系统状况；知识库有规划、分类、结构模式及行为模式的动态知识表述。7.2.3模式识别模式识别(PatternRecognition)：是通过计算机用数学方法来研究模式的自动处理和判读。我们所指的模式识别主要是对—语音波形、地震波、心电图、脑电图、图片、照片、文字、符号、生物信息等对象进行模式测量、分类和辨识。图像识别、文字识别和语音识别是模式识别技术最有价值的代表性成果。模式—是环境与客体的统称。信息处理过程的一个重要形式是生命体对环境及客体的识别。7.2.4人工神经网络生物神经元人工神经元神经元输入输出1，神经元每个神元经细胞都长着一根像电线一样的称为轴突（axon），用来将信号传递给其他的神经细胞。人工神经元是模仿生物神经元的一个信息处理单元。输入层神经元：接受非线形输入信息。输出层：输出各层神经元链接中传输、分析、加权后的输出信息。隐藏层：简称“隐层”，是输入层和输出层之间众多神经元和链接组成的各个层面。隐层可以有多层，习惯上会用一层。隐层的节点(神经元)数目不定，但数目越多神经网络的非线性越显著，从而神经网络的性能、特性会更好。2，人工神经网络人工神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联接的结构进行信息处理的数学模型。通常为多层网络。（人工神经网络模型现在有数十种之多）二、智能控制简介网络通过训练样本的训练、校正，对各个层的权重进行调整后，即确定了网络参数，这一建立模型的过程，称为自动学习过程。具体的学习方法则因网络结构和模型不通而不同。3，人工神经网络的学习（训练）神经网络学习系统框图通过学习训练后的网络即可用于控制、识别等实际系统中。神经网络模型以神经元的数学模型为基础，它有自学习、自组织能力，它在控制、识别和信息处理系统中其所以对人们有巨大吸引力主要在下列几点：（1）并行分布处理，处理信息的效率极高。（2）高度鲁棒性和容错能力对损伤有冗余性(tolerance）。（3）分布存储及学习能力。（4）能充分逼近复杂的非线性关系。在控制领域的研究课题中，不确定性系统的控制问题长期以来都是控制理论研究中的难点。利用神经网络的学习能力，使它在对不确定性系统的控制过程中自动学习系统的特性，自动适应系统随时间、输入及环境的特性变异，以求达到对系统的最优控制；显然这是一种十分振奋人心的智能技术和方法。4，人工神经网络的优点随着计算机技术、信息处理技术和仿生学、神经心理学的研究进展，人工神经网络的性能将日益改善，应用将越来越广泛，这将是必然趋势。7.2.5深度学习

深度学习(DL,DeepLearning）目前是机器学习(ML,MachineLearning)里的一个热门研究领域，是实现人工智能的重要方法和途径。

深度学习的主要思路是对系统样本数据的内在规律和表示层次进行学习，利用在学习过程中获得的信息，理解系统中文字、图像和声音等数据的含义。深度学习的最终目标是让系统具有和人类一样的智慧，比如学习分析的能力、文字识别的能力、图像识别能力和声音识别的能力等。给黑白图像添加色彩；语言自动翻译：自动生成图像；恢复视频节目中的声音等等。深度学习应用实例7.3自动控制系统的控制方式控制方式

开环控制闭环控制7.3.1开环控制开环控制的特点是控制装置与被控对象之间只有正向控制作用而没有反向作用的连接方式，即系统的输出量对输入量没有影响。开环控制系统框图ug放大器和控制装置udnd直流电机开环调速系统

例：7.3.2闭环控制闭环系统原理框图闭环控制：在控制器与被控对象之间，不仅有正向作用通路，而且存在着反馈作用通路。即系统的被控量对输入量有直接影响。这里的反馈是指把输出量检测出来反送到系统的输入端并与输入信号比较以影响控制的过程。若反馈信号是与输入信号相减则称为负反馈；若相加，则称为正反馈。ug放大器和控制装置udndub直流电机闭环调速系统

直流电机速度的闭环控制说明：首先，对电动机的转速进行测量、转换。然后将测量信号与输入量进行比较。由于转速之间不容易直接比较大小，因此，将输入与输出转速变换成相应的电压信号。由速度传感器完成变换。最后，根据偏差的极性和大小来调整转速，使电机转速恒定。控制方式比较闭环控制精度较高，结构较复杂，分析设计较难。

开环控制精度较低，结构较简单，分析设计较易。控制方式比较两类系统各有特点自动控制系统的分类

1，按参考输入形式分为恒值系统和随动系统

2，按系统特性分成线性系统和非线性系统

3，按信号的传递形式分为连续系统和离散系统

4，按信号的多少分为单输入单输出与多输入多输出系统

5，按参数变化分为定常系统和时变系统

7.3.3自动控制系统的分类7.4自动控制系统的性能指标是系统工作稳定性，它是保证控制系统能够正常工作的首要条件，是控制系统的一项最重要的指标。是系统控制准确性，它反映系统的被控输出最终复现系统期望输出值的能力。要求稳态误差越小越好。是指系统过渡过程持续时间的长短，要求系统快速进入稳态。即快速性稳准快自动控制系统的三大指标7.5工业信息化与智能制造7.5.1信息技术与工业自动化四大技术：微电子技术计算机技术通信技术软件技术企业管理产品消售管理物流供应生产过程控制生产设备控制、检测和诊断信息技术与工业自动化信息技术工业自动化现代工业自动化是自动控制技术与信息技术相结合的产物，是工业自动化发展的必然趋势。1.信息技术与企业的关系（1）信息化扩展了企业的市场空间（2）信息技术引发产品设计的变革

（3）信息技术用于产品质量控制

信息技术与企业的关系网络把企业的资金、物流、生产、市场、采购等信息实时、准确提供给管理者，实现了管—控一体化。CAD软件使设计者不再使用图板。三维CAD软件不仅可以实体造型，还可以进行产品模拟分析。数字技术提高生产过程的自动检测水平和控制精度、优化装置和过程控制效果，实现增加产量、提高质量。2.现代工业自动化传统的工业自动化：即机电一体化。主要是对设备和生产过程的控制，即由机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、信号处理单元、接口等硬件单元，在软件程序和电子电路逻辑的有目的的信息流引导下，相互协调、有机融合和集成，组成工业自动化系统。现代工业自动化：综合运用系统科学、认知科学、信息科学、控制科学与工程的综合科学。企业管理级生产管理级过程控制级设备控制级检测驱动级现代工业自动化系统的5级结构计算机技术软件技术网络技术通信技术支撑技术机电一体化技术现场总线技术传感器技术数字交流调速支撑技术智能控制技术控制工程方法支撑技术7.5.2信息化与智能制造什么是智能制造？

智能制造是基于现代信息技术，实行对产品设计、生产、生产管理、服务等生产活动各个环节的高度智能化管理的系统；系统对信息具有深度自感知、智慧优化、自决策、精准控制、自执行等功能。智能制造是由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化的智能生产系统的总称，或者说它是一类实行产品全信息化制造过程的制造系统或生产模式。智能制造系统是电子信息科学与技术各学科先进技术的融合；智能制造是当前工业自动化与信息化的研究热点，也是推进第四次工业革命的关键技术。智能制造和“互联网+”两者的发展将相辅相成，相互促进，共同推进我国社会的信息化发展。为推进智能制造的发展，2015年我国工业与信息化部印发了《关于开展2015年智能制造试点示范专项行动的通知》，并下发了《2015年智能制造试点示范专项行动实施方案》。可以预计，智能制造的发展将把工业自动化水平推向一个从未有过的高度。（1）自律能力自律能力是指搜集与理解环境和自身的信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。（2）人机一体化智能制造系统不单纯是“人工智能”系统，而是具有人机一体化的智能系统，是一种混合智能。（3）虚拟现实技术虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术网络技术等多种技术的集合。（4）自组织与超柔性智能制造系统中的各组成单元能够依据工作任务的需要，自行组成一种最佳结构，其柔性不仅表现在运行方式上，而且表现在结构形式上，所以称这种柔性为超柔性，如同一群人类专家组成的群体，具有生物特征。（5）学习能力与自我维护能力智能制造系统能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能。同时，在运行过程中自行故障诊断，并具备对故障自行排除、自行维护的能力。智能制造系统的基本特征7.5.33D打印与智能制造3D打印又称三维增材制造，它是推进传统制造业向智能制造业发展的一项革命性技术。其原理可用右图来说明，图中包含五部分：1、计算机，它完成物体的三维分析和建模，把三维复杂物体变成一层一层的薄片，而后发出控制打印头喷嘴的指令和控制材料喷出，让材料一层层增材到工件上；2、材料库，可以是线材，也可以是粉末等各类材料；3，打印喷头，不同的材料采用不同的打印喷头；4、打印二维控制，操作打印头的二维行走机构；5、升降台，随着材料一层层叠加，升降台需要进行相应的精密移动。3D打印机实物图3D房屋打印施工示意图

在智能制造系统中采用3D打印将从根本上解决传统制造系统中新产品开发周期长、产能利用不足、生产成本高、产品质量差、个性化需求难以满足等产业竞争中所存在的问题。下面是一些3D打印的应用实例。工艺造型汽车发动机汽缸MD公司3D打印的跑车Blade荷兰3D打印建筑中国苏州3D打印别墅7.5.4数字化转型与智能制造数字化转型就是利用数字化技术来推动企业转变业务模式，组织架构以及企业文化等变革措施。简单来说，就是利用新兴技术，帮助企业降低成本、提升生产效率、打通生产到交付全流程、提高经营管理效率。数字化转型是建立在数字化转换，数字化升级的基础上，进一步触及公司核心业务，以新建一种商业模式为目的的高层次转型。也就是说，简单的业务流程信息化，比如搞个办公自动化系统，并不能完全称之为数字化转型。一定要达到触及公司核心业务，引起架构更新，新建商业模式的级别，才可真正称之为“数字化转型”。数字化转型更偏软件一点，比如ERP（企业资源管理）系统、财务管理系统等等；智能制造更偏硬件一点，比如生产线的改造、智能机械臂等等，虽然看着两者没啥关系，但智能制造更像是在数字化转型的基础上完成的，比如改造任何一个传统的生产线或机械，都需要数字来做支撑，机械臂与零件之间的装配距离，机械臂速度检测相关的精度，都是数字的体现。可以说没有数字化作为支撑的话，智能制造是不可能实现的。7.6智能机器人类的梦想之一就是希望自己说设计的机器能够拥有我们人类一样的智慧，而智能机器就是智能控制在机器人领域的典型应用。智能机器是指能够在各类环境中自主地或交互地执行各种拟人任务的机器，具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器。例如当今非常热门的自动驾驶汽车和无人机，由于它们可以像人一样的进行感知、定位、决策和规划，所以都属于智能机器的范畴。本节将首先介绍什么是机器人，然后再介绍自动驾驶汽车和无人机。7.6智能机器机器人概念：智能控制的典型应用就是机器人（Robot），机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，还可以根据人工智能技术制定的原则纲领去行动。机器人技术：机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学技术的产物，用来协助或代替人类工作。机器人应用：机器人可用于生产制造业，可以替代人从事危险的工作。它在制造业、医学、农业、建筑业、军事、交通运输等领域。1，机器人的发展史

1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说，创造出“机器人”这个词。1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。它由电缆控制，可以行走。7.6.1机器人1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人。机械手能按照不同的程序从事不同的工作，具有通用性和灵活性。1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木，不过控制它的计算机有一个房间那么大。Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。汽车装配机器人

仓库管理机器人机械手智能清洁机器人清洁机器人家庭服务机器人智能机器人机器人战车侦察机器人机器人战车战争机器人仿真机器人

R2宇航人形机器人，于2011年2月24日由“发现号”航天飞机带进太空站，作为常住空间站“工作人员”，用来帮助空间站的宇航员完成一些日常工作。将来R2的改进型将可以代替宇航员出仓完成一些危险作业。机器人生产、机器人清扫、机器人战争的时代正在到来！按应用分类按“智能”分类机器人的分类2，机器人的分类工业机器人初级智能机器人高级智能机器人工业机器人特种机器人除工业机器人之外的所有机器人3，人类与机器人机器人的终极目标：利用《人工智能》原理发展具有人类智能的人造机器。人工智能包括学习任何知识的能力、推理能力、语言能力和形成自己的观点的能力。机器人专家已经在人工智能领域取得了很大进展。其代表性成果是2022年11月30日美国“开放人工智能研究中心”发布的聊天机器人ChatGPT：它能和人交流互动，能写邮件、编写计算机代码、完成语言翻译等，此外，我国的腾讯、华为、阿里等公司也研究出有类似系统。家用机器人：机器人将在我们未来的日常生活中扮演重要的角色，分担家务劳动，为发展机器人产业带来巨大商机。机器人造福人类：机器人代替人们去完成一些单调、枯燥或是危险的工作。考察世界工业发展的潮流，已经证明：发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器；有了机器人，人仍然是主人。军用机器人：发展用于战场阻击、扫雷、侦察各类军用机器人，将可能改变未来战争形式，出现机器人与人之间、机器人与机器人之间的战争。7.6.2自动驾驶汽车无人驾驶汽车也称智能车、无人自动驾驶车、自主导航车或轮式移动机器人，是室外移动机器人在交通领域的重要应用。无人驾驶就是让汽车自己拥有环境感知、路径规划并自主实现车辆控制的技术，也就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶或是自动驾驶。车身安装的传感器，就是它的“眼睛”，能360度感知路上物体的远近深浅，常见的传感器有激光雷达、毫米波雷达、摄像头、超声波雷达及组合导航模块等。无人车的“大脑”就是车辆的控制技术，能根据实时感知的环境信息、高精度地图，实现最优路径规划，预测周边车辆和行人的行为和意图，并根据所获得的道路信息、交通信号信息、车辆位置和障碍物信息做出分析和判断，向主控计算机发出期望控制，控制车辆转向和速度，从而实现无人驾驶车辆依据自身意图和环境的拟人驾驶。我国在无人驾驶技术研发方面，也取得了不错的成绩，目前国内各大汽车主机厂及科研机构都在致力于汽车无人驾驶技术的研究之中，量产的车型中，几乎可以实现L2-L3水平的无人驾驶。同时无人驾驶技术更多的是应用在物流、仓储等工业化固定场景中，为企业大幅节约了人力，并提升了工作效率。7.6.3无人机无人驾驶飞机简称“无人机”（UnmannedAerialVehicle，UAV），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置来操纵的不载人飞行器。无人机技术是一项涉及多个技术领域的综合技术，它对通信、传感器、人工智能和发动机技术有比较高的要求。无人机在飞行过程中，需要保持平衡，不能在空中飞着飞着就掉下来，所以如何能够让无人机感知自己的姿态，并自动调节空中的位置跟状态，就成为了非常重要的事情。而这就需要各种不同的传感器，跟强大的飞行控制系统协调工作才行。你可以把飞行控制系统看作是无人机的大脑。无人机的飞行、悬停，姿态变化等等信息，首先都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞行控制系统，再由飞行控制系统通过运算和判断下达指令，最后再由执行机构完成动作和飞行姿态调整。这就类似于人体的大脑，对身体各个部位发送指令，并且接收各部件传回的信息，运算后发出新的指令。飞行控制系统被看作无人机的核心，里面的程序与算法也是最有技术含量的部分。除了飞行控制系统以外，无人机里面还包括导航系统、动力系统、测控链路系统、电气系统等，以及无人机平台搭载的任务载荷，包括光电、通讯、雷达、探测监测、执行等各类设备，比如云台和相机等。由此可见，就算是一台小小的无人机，里面涉及到的技术和知识也是十分复杂的。随着中国经济的快速发展和制造水平的不断提高，近年来我国在新兴无人机领域取得了令人瞩目的成就。在民用无人机市场上，中国遥遥领先，特别是以大疆为代表的企业在技术和销量上都具有明显的优势。而在军用无人机领域，我国拥有彩虹系列和翼龙系列等世界先进无人机，这让中国人感到自豪和高兴。无人机类型多种多样：攻击型无人机，侦察无人机，查打一体型无人机，自杀型无人机，航拍无人机等等。无人机已成为现代战争的利器！

中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、技术难度和安全可靠性要求最高的跨世纪国家重点工程，包括：航天员、空间应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信、着陆场、空间实验室等八大系统组成。

在工程实施方面主要又包括：卫星、神舟载人飞船和嫦娥探月三大系统。7.7.1中国的载人航天工程7.7中国在工程控制方面所取得的成就2021年6月17日神舟十二号三名宇航员进入太空，在太空驻留了33天。2021年10月16日神舟十三号三名宇航员进入太空，在太空驻留了183天，并进行了空中行走、空中授课等。2022年6月5日神舟十四号三名宇航员进入太空，计划在太空驻留了6个月。下面是神舟十三号宇航员瞿志刚、王亚平、叶光富出舱活动情形。

载人航天是多学科协同联合的特大型系统工程，工程控制技术、控制系统和设备是保证载人航天顺利进行的关键之一。7.7.2中国的卫星测控地面测控站我国已建成了比较完整的陆海基测控网，能完成从近地轨道卫星到地球同步卫星的测控任务。我国的测控技术的某些方面己处于国际先进水平。测控是工程控制科学与通信技术结合的一体化工程，其特点有：1）多任务测控；

2)深空跟踪；

3）卫星测控设备的芯片化，软件化，一体化；

4）测控和通信的有机融合。望远号海洋测控船钱学森在控制论科学领域的开创性成就——“工程控制论”1980年前后摄2007年感动中国年度人物钱学森（1911.12.11--）应用力学、航天技术和系统工程科学家。1955年回国。早年在应用力学和火箭、导弹技术的许多领域都做过开创性的工作。独立研究以及和冯.卡门合作研究提出的许多理论，为应用力学、航空工程和火箭导弹技术的发展奠定了基础。回国后长期担任火箭、导弹和卫星研制的技术领导职务，为创建和发展我国的导弹、航天事业作出了杰出贡献。在工程控制论、系统工程和系统科学、思维科学和人体科学以及马克思主义哲学等许多理论领域都进行过创造性研究，作出了重大贡献。中国科学院院士、中国工程院院士。2007年评为感动中国人物。本章小结

控制科学与工程是一个综合性学科

。控制技术己应用在人们的日常生活产品中；也己应用于工业大生产流程或航空航天这样的大系统中；它还可以用于社会、能源或者经济管理。控制科学与工程是综合信息科学各学科的研究成果，是信息科学与工程的一个重要领域。当前控制科学已进入了智能控制的发展阶段。随着计算机技术、信息处理技术和仿生学、神经心理学的研究进展，智能控制的理论和技术必然更加成熟，能更有效地解决大系统中的复杂、综合性问题，深刻影响人类社会进步和科学技术的进一步发展。ThankYou!第七章（完）第八章集成电路科学与工程“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材《电子信息科学与技术导论》第三版

“集成电路科学与工程”是以集成电路为对象，研究从半导体材料、器件，到芯片设计和制造工艺，再到封装、测试和系统应用的交叉学科。它涉及物理、化学、数学、材料、电子科学与技术、光学工程、机械工程、自动化等多个学科领域。集成电路关系到信息产业、电子工业、航天工业、机械工业、自动化、国防工业等国民经济各部门。一个国家集成电路的生产能力反映了这个国家的科学技术和基础工业水平，并成为一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。“集成电路科学与工程”是新设置的一级交叉学科，它与“电子科学与技术”下的“微电子与固体电子学”和“电路与系统”等二级学科关联性强，也关系“微电子科学与工程”、“集成电路设计与集成系统”等大学本科专业。本章以集成电路为主线，着重介绍集成电路科学与工程的基础知识、主要概念及制造工艺，目的是使“信息类专业”的学生对该领域有一个基本了解。

前言

第八章集成电路科学与工程8.1集成电路发展历程8.2集成电路的分类8.3集成电路材料8.4集成电路元器件8.5集成电路基本制造工艺8.6集成电路封装与测试8.7集成电路设计8.8集成电路技术发展趋势8.9集成电路产业的战略地位IntegratedCircuit，缩写IC8.1集成电路发展历程集成电路芯片显微照片集成电路是什么？IC是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。（续）器件线径己接近物理极限！各种封装好的集成电路（续）

集成电路的生产加工工艺涉及精密机械、光学、化学等领域，集成电路技术的广泛渗透和延拓，已使集成电路科学与工程成为了一个由基础学科与应用学科等多学科支撑的交叉学科。

集成电路的生产装备水平是一个国家科学技术水平的综合体现；集成电路既是一个国家工业信息化大厦顶尖上的一颗宝石，又是这一大厦的基石。集成电路的设计与制造流程框架（续）集成电路的出现，已使电子设备整机与电路元件器件之间的原有界限被打跛，可将器件、电路和整机系统制作在一小块硅片上，称之为片上系统，形成了固体物理、器件工艺与电子学三者交叉的综合性技术学科。138.1.1集成电路发展历程1，晶体管的发明1946年1月：Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley（肖克莱）、J.Bardeen（巴丁）、W.H.Brattain（布拉顿）、Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。1947年12月23日：第一次观测到了具有放大作用的晶体管（Ge晶体管，100倍放大）；1947-1948年：世界上第一只晶体三极管面世。1951年：1948年肖克莱提出了更稳定的结型晶体管设想，1951年成功研制出结型晶体管；半导体晶体管的发明是微电子技术发展中第一个里程碑，它使电子技术从真空转为固体，从而电子设备进入小型化、轻量化和省能源化．迅速取代了电子管成为主流器件。半导体晶体管的发明开创了世界电子科技的新时代。1956年分享了诺贝尔物理学奖。131947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管

W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain（续）13晶体管发明后不到5年，英国皇家雷达公司的达默(GWADummer)首先提出了集成电路的概念。1952年5月，他提出在一块固体块上的无连线的电子设备即将诞生。这种固体块可以由绝缘体、导体和具有整在流和放大作用的半导体结构组成。1958年:由美国得克萨斯仪器公司的工程师基尔比(CKilby)把达默的猜想变成了现实，用Ge制造出了世界上第一块固体电路块——集成电路。1959年：在基尔比发明的集成电路基础上（间隔数月），1959年1月，仙童公司的罗伯特·诺伊斯RobertNoyce研制出世界上第一块基于硅（Si）的单片集成电路，与Kilby的IC有外部线连接且无法量产不同，Noyce的单片IC芯片将所有元件放在一个硅芯片上用铜线连接；同年，德克萨斯仪器公司宣布建成世界上第一条集成电路生产线。2，从晶体管到集成电路（续）1966年:基尔比、诺依斯被富兰克林学会同时授予美国科技人员的最高奖：巴兰丁奖章。131958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片（续）1960年：美国无线电（RCA）公司的卡尔.扎宁格（KarlZaininger）和查尔斯.穆勒（CharlesMueller）研制了第一个MOS晶体管。1962年：美国无线电（RCA）公司的弗雷德.海曼（FredHeiman）和史蒂文.霍夫施泰因（StevenHofstein）采用实验性的16个晶体管集成一个MOS器件，这是全球真正意义上的第一个集成电路正式商品。1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah发明了CMOS技术，为集成电路产业的发展奠定了坚实的基础。1965年：Intel公司戈登.摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍。1966年：美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）器件，为大规模集成电路发展奠定了坚实基础，具有里程碑意义。1967年：Kahng、S.Sze（施敏）发明了非挥发存储器；为微型计算机的发明奠定了坚实的基础。（续）1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；同年，全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，这是一个里程碑式的发明。1972年：Intel推出8008微处理器，其性能是4004的两倍。1974年：英特尔公司推出了8080处理器，其性能是8008的10倍；Zilog公司推出的Z80微处理器比Intel8080功能更为强大，而且直到今天这款处理器仍然被尊为经典；RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802。1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上,成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临。1979年：在8086推出不久，Intel发布了其变化版本8088，之后，IBM基于8088微处理器推出全球第一台PC。3，微处理器的发展（续）1982年：英特尔推出80286微处理器，16位字长，具有6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHz四个主频的产品。1985年：80386微处理器问世，主频20MHz。1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段。1989年：80486微处理器推出，主频25MHz、采用1μm工艺；后来采用0.8μm工艺研制出50MHz80486芯片。1993年：英特尔66MHz奔腾处理器（俗称586）推出，采用0.6μm工艺，核心由320万个晶体管组成。1995年：英特尔先后推出Pentium120MHz处理器、集成320万个晶体管；

Pentium150MHz、Pentium166MHz、Pentium180MHz、Pentium200MHz四款

处理器，核心由550万个晶体管组成；采用了0.60微米/0.35两种工艺技术。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世，采用0.25μm工艺。（续）1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25μm工艺，后采用0.18μm工艺。1999年：胡正明教授开发出了鳍式场效晶体管(FinFET)技术，他被誉为是3D晶体

管之父，现在7nm芯片使用的就是FinFET设计。2000年：1GbRAM投放市场；奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18μm工艺。2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺。2005年：英特尔公司继使用长达12年之久的“奔腾”的处理器之后推出intel

酷睿2系列，采用65nm工艺；酷睿2：英文Core2Duo，是英特尔推出的新

一代基于Core微架构的产品体系统称，英特尔酷睿2双核处理器有两个处

理内核（或称计算“大脑”）。2007年：基于全新45纳米High-K工艺的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，酷睿i是

民用系列，i3为双核四线程，i5为四核四线程，i7为四核八线程。（续）1，摩尔定律8.1.2集成电路技术发展规律集成电路自发明五十多年来，集成电路芯片的集成度每3年提高4倍，而加工特征尺寸缩小

倍。这是由Intel公司创始人之一GordonE.Moore博士1965年总结的集成电路的发展规律，被称之为摩尔定律。制程进化速度的最优值显然是会随着市场和技术条件而改变，而摩尔在五十年前观察到的“每两年特征尺寸减半”的经验性最优值也并非物理定律,不可能永远有效。摩尔定律需要有人来维护和修正。这个维护的人就是ITRS,全称InternationalTemplarResearchSociety中文是国际圣殿骑士研究协会，各大半导体制造厂商（比如Intel，TSMC，Samsung等）发展的规划是经由ITRS讨论后决定的。在摩尔定律提出至今，制程进化的速度已经被修正了两次。最早摩尔1965年在ElectronicsMagazine上提出的速度是每年晶体管数量翻倍，到了1975年摩尔本人在IEDM（国际电子器件大会）上修正为每两年晶体管数量翻倍。之后每两年翻倍的发展速度维持到大约2013年，之后ITRS将未来蓝图修正为每三年晶体管数量翻倍。（续）（1）特征尺寸越来越小；（2）芯片尺寸越来越大；（3）单片上的晶体管数越来越多；（4）时钟速度越来越快；（5）电源电压越来越低；（6）布线层数越来越多；（7）输入/输出(I/O)引脚越来越多。2，集成电路的发展特点：

集成电路技术的发展主线主要体现在设计线宽的不断缩小上。集成电路的特征线宽从1971年的10µm、1985年的1µm、1993年的0.8µm，逐渐缩小到0.35µm、0.25µm、0.18µm、0.13µm、90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、14nm、10nm，一直延伸到7nm、3nm、2nm,到今天1nm。

由于10nm以后特征尺寸的线条宽度逼近加工极限，在7nm以下的工艺节点上的特征尺寸不是最细加工线条宽度，而是采用3D结构、立体栅结构、叠层栅结构、3D封装及新结构新材料等措施，以单位面积所含晶体管数折算出来的等效特征尺寸。芯片名称发布时间集成的晶体管数特征线宽40041971225010µm80081972250010µm8080197450006µm80861978290003µm802861982120,0001.5µm803861985275,0001µm80486DX处理器19891180,000Intel1µmPentium处理器19933100,000Intel0.8µmPentimuPro1995550万0.35µmPentiumII处理器19977500,0000.25µmPentiumIII处理器199924,000,000Intel0.18µmPentium4处理器200042,000,000Intel0.18µm铝互连NorthwoodP4处理器200155,000,000Intel0.13µm铜互连PrescottP4处理器20041亿2500万Intel90nmPreslerPEE955处理器20063亿7600万Intel65nmCore2系列处理器2008双核4.1亿Intel45nmSandyBridge微架构处理器201011.6亿/216mm²Intel32nmIvyBridge处理器201214.8亿/159.8mm²Intel22nmBroadwell-Y处理器201513亿/82mm²Intel14nmA11Bionic201743亿/89.23mm²TSMC10nmA12Bionic201869亿/82.24mm²台积电7nmZen2架构Ryzen3000处理器201939亿/74mm²台积电7nmA14Bionic2020118亿/88mm²5nm微处理器及主要特征参数的进展情况（续）8.2集成电路的分类8.2.1按功能分类1，数字集成电路(DigitalIC)：是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字

计算和逻辑函数运算的一类集成电路。2，模拟集成电路(AnalogIC)：是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路。它包括线

性和非线性两类。线性集成电路又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随

器等；非线性集成电路，如振荡器、定时器等。3，数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。8.2.2按结构形式与工艺分类1，单片集成电路：是指电路中的有源器件（晶体管）和无源器件（电阻、电容和电感）

都制作在同一块半导体基片上的集成电路。2，混合集成电路包括厚膜集成电路和薄膜集成电路：（1）薄膜集成电路。它是采用溅射或真空镀膜的方法在陶瓷或微晶玻璃的基片上，依次淀积多层相互重迭的膜而构成各种无源元件，二极管和晶体管通常是选用硅平面管的管芯、粘在基片上，再和其它无源元件连接起来构成整个电路，膜层厚度小于1微米。（2）厚膜集成电路。它是利用丝网印刷技术，使印浆通过丝网印刷在陶瓷或微晶玻璃的基片上，形成所需要的电路图案，经烘干后制得各种无源元件，二极管和晶体管也用硅平面管的管芯，把各元器件连接起来构成厚膜电路，膜层厚度一般为7～40微米。1,双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路8.2.3、器件结构类型分类NPN型双极晶体管PNP型双极晶体管N、P指半导体类型：N型半导体中自由电子和“正离子”（失去一个电子）多，P型半导体中空穴和“负离子”（获得一个电子）多。这是半导体物理学中要学习的原理。2,MOS集成电路：主要由MOS晶体管构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)

MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)

金属-氧化物-半导体结构的晶体管简称MOS晶体管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路，而由PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS-IC（ComplementaryMOSIntegratedCircuit）。目前使用最最广泛的集成电路是CMOSIC，CMOSIC功耗低、抗干扰能力强。PMOS晶体管NMOS晶体管（续）由双极型门电路和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）门电路构成的集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和CMOS工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起，兼有高密度、低功耗和高速大驱动能力等特点。高性能BiCMOS电路于20世纪80年代初提出并实现，主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模／数混合电路，用于系统集成。有人预言，BiCMOS集成电路是继CMOS集成电路形式之后的下一代高速集成电路形式。

（续）3，双极-MOS(BiMOS)集成电路：

同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点。类别数字集成电路模拟集成电路MOSIC双极ICSSI<102<100<30MSI102

103100

50030

100LSI103

105500

2000100

300VLSI105

107>2000>300ULSI107

109GSI>1098.2.4按集成度分类注：SSI-小规模；MSI-中规模；LSI-大规模；VLSI-超大规模；ULSI-特大规模；GSI-吉规模。按晶体管数目划分的集成电路规模1，全定制集成电路(FullCustomDesignApproach)

全定制集成电路是指按照用户要求，开发设计的专用集成电路。通常可达到性能价格比最优。2，半定制集成电路(Semi-CustomDesignApproach)

半定制集成电路包括门阵列、门海等。对半定制集成电路，设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成最终的设计，一般是在成熟的通用母片基础上追加某些互连线或某些专用电路的互连线掩膜，因此设计周期短。门阵列母片门海母片结构中的规则布线8.2.5按应用和实现方法分类3，定制集成电路(CustomDesignApproach)

（1）标准单元法：将电路设计中可能经常用到的基本逻辑单元的版图按照最佳设计原则，遵照一定外形尺寸要求，设计好并存入单元库中，需要时调用、拼接、布线。这类集成电路的优点是具有较高的芯片利用率，适用于中批量或者小批量但是性能要求较高的芯片设计。

（2）积木块法：它以成熟的产品为单元，将整个芯片划分为若干功能模块，规定好各模块之间的接口，分别设计各模块，然后将它们“拼接”起来。该方法的优点是有较大的设计自由度，可以在版图和性能上得到最佳的优化。积木块法版图结构标准单元法的版图布置（续）4，可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD－－ProgrammableLogicDevice）：器件的功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即由编程的方法来确定器件的逻辑功能。PLD芯片内的硬件资源和连线资源是由制造厂生产好的，设计者不用到半导体加工厂，可以借助功能强大的设计自动化软件和编程器，自行在实验室、研究室，甚至车间等生产现场进行设计和编程，完成集成电路的设计，十分方便，而且可多次修改自己的设计，且不需更换器件和硬件。

器件为什么能够编程？了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理；怎样对器件编程？熟悉一种EDA软件的使用方法（工具）掌握一种硬件描述语言（方法），以设计软件的方式来设计硬件（重点）（续）8.3集成电路材料8.3.1集成电路材料

1，集成电路材料分类：按导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类。集成电路要应用到所有三类材料。二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等绝缘体硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（GaP）、氮化镓（GaN）等半导体铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅导体电导率（S·cm-1）材料分类2，导体（铝、金、钨、铜等金属）在集成电路工艺中的应用（1）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。（续）3，绝缘体（二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧化物和氮化物）在集成电路工艺中的主要功能（1）构成电容的绝缘介质；（2）构成金属-氧化物-半导体器件（MOS）的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。（续）5，三代典型的半导体材料（1）半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化。（2）半导体材料须十分纯净。

一般材料纯度在99.9％已认为很高了，有0.1％的杂质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下：

＝21400Ω·cm,如果在硅中掺入杂质

磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999％。则其电阻率变为：

＝0.2Ω·cm。

利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力，改变性质，制造器件。（3）半导体的导电能力随光照而发生显著变化。（4）半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生变化。半导体材料是集成电路制造中的核心材料，则主要利用半导体掺杂以后形成P型和N型半导体，在导体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路的元件—半导体器件。4，半导体材料的特性与应用第一代半导体材料主要以硅、锗半导体材料为主；第二代半导体材料是GaAs(砷化镓)、InP(磷化铟)为代表的化合物半导体材料，主要用于高频高速和光电集成电路；第三代半导体材料中比较成熟的有碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料。在高功率、耐高压、耐高温等性能方面优势突出。（续）8.3.2石墨烯

石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年问世，发现石墨烯的英国曼彻斯特大学的Geim教授和Novoselov（诺沃肖洛夫教授）凭着这一重大发现而于2010年获得诺贝尔物理学奖！厚度薄。石墨烯是二维结构材料，一个原子层厚。强度高。是钢的200倍，可用作超轻型飞机材料，超坚韧防弹衣。速度快。电子在石墨烯中的传输速度是硅中的100倍。用途广。芯片互联时石墨烯性能优于铜，可用于高速计算机、灵敏传感器和透明电极材料，是替代硅的候选材料之一。二维六边形结构强度极高的石墨烯2008年4月，英国科学家宣布他们用石墨烯制造出一种只有1个原子厚、10个原子宽的超微型晶体管。2008年5月，斯坦福大学制备出宽度小于10纳米的石墨烯纳米带，以此为基础研制出第一个室温运行的石墨烯场效应晶体管。2009年美国佐治亚州技术研究所报告，线宽18纳米石墨烯纳米带用于互联性能优于铜。

2010年6月，美国莱斯大学采用石墨烯半导体量子点能实现单分子传感器。2010年9月，加州洛杉矶分校研制出截止频率达到300GHz石墨烯场效应晶体管。2011年6月，IBM研究者宣布在创建无线器件模块方面实现一个里程碑——研制出第一个晶圆级石墨烯集成电路。

我国中电13所石墨烯团队自2009年开展石墨烯材料和射频器件研究。先后实现了国内首个3英寸和4英寸碳化硅外延石墨烯材料，材料室温载流子迁移率达到4,300cm2/V·s。针对二维石墨烯材料易受损伤和污染的特性，自主研发了预沉积保护层的低损伤、自对准工艺。（续）2013年，中电13所实现国际最高振荡频率石墨烯晶体管(Carbon,75,2014)，并已申请美国发明专利(PZT/CN2013078836)。2015年，13所石墨烯材料和器件工艺继续提升，石墨烯场效应晶体管截止频率fT达到407GHz，为SiC衬底上外延石墨烯晶体管的国际最高水平。2016年7月，中国电科13所研制出国际首只石墨烯低噪声放大器单片集成电路。在石墨烯射频领域引起强烈震撼。该电路工作于Ku波段，中心频率14.3GHz，最大增益为3.4dB，最小噪声系数为6.2dB。石墨烯将取代硅，为世界电子科技开创一个崭新的时代！石墨烯材料如果取代硅，有望让计算机处理器的运行速度快数百倍；石墨烯有望引发触摸屏和显示器产品的革命，制造出可折叠、伸缩的显示器件；石墨烯强度超出钢铁数十倍，有望被用于制造超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣等。（续）8.4.1无源器件1，集成电阻a）多晶硅电阻b）掺杂半导体电阻c）阱电阻阱电阻有N阱或P阱电阻两种。阱电阻的阻值大但精度差。d）合金电阻常用的合金材料有：钽（Ta）、镍铬（Ni-Cr）、氧化锌（SnO2）和铬硅氧（CrSiO）。8.4集成电路元器件e）除了薄层集成电阻外，工作在特定偏置条件下并作适当连接的晶体管表现出电阻特性，可用作电路中的电阻元件，并称之为有源电阻。几种MOS有源电阻的连接形式（续）在集成电路中，有多种电容结构：1）金属-绝缘体-金属（MIM）结构；2）多晶硅/金属-绝缘体-多晶硅结构；3）金属叉指结构4）PN结电容；5）MOS电容。2,集成电容器金属叉指结构电容MIM电容结构（续）在集成电路开始出现以后很长一段时间内，人们一直认为电感是不能集成在芯片上的。因为那时集成电路工作的最高频率在兆赫量级，芯片上金属线的电感效应非常小。现在的情况就不同了，首先，近二十年来集成电路的速度越来越高，射频集成电路（RFIC）已经有了很大的发展，芯片上金属结构的电感效应变得越来越明显。芯片电感的实现成为可能。3,集成电感多匝线圈的实物照片单匝线圈电感版图（续）PN结是微电子器件的基本结构之一，集成电路和半导体器件的大多数特性都是PN结相互作用的结果。如果通过某种方法使半导体中一部分区域为P型，另一部分区域为N型，则在其交界面就形成了PN结。金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体流向金属。从而形成肖特基结接触。1，二极管8.4.2有源器件在半导体晶体中形成两个靠得很近的PN结即可构成双极型晶体管。它们的排列顺序可以是N-P-N或者P-N-P。前者我们称之为NPN晶体管，后者称之为PNP晶体管。三个区域分别称为发射区、基区和集电区，对应引出的电极分别称为发射极E、基极B和集电极C。E-B之间的PN结称为发射结，C-B之间的PN结称为集电结。2，双极型晶体管双极型晶体管的结构示意图（续）MOS是由导体、绝缘体与构成MOS器件衬底的掺杂半导体这三层材料叠在一起组成的。三个区域分别为两边高掺杂的源区、漏区以及中间的MOS电容单元（称为栅区），对应引出的电极分别称为源极S、栅极G和漏极D。即MOS器件的结构主要由两个PN结和一个电容器结构构成。两个PN结是指由漏极与衬底以及源极与衬底构成的结，在结周围由于载流子的扩散、漂移达到动态平衡，而产生了耗尽层。一个电容器结构是指栅极与栅极下面的区域形成一个电容器，是MOS管的核心。3，MOS场效应晶体管两类MOS管的结构示意图（续）4，金属半导体场效应晶体管MESFET利用金属与半导体接触形成的肖特基结代替MOS管中的MOS单元可以构造MESFET器件。MESFET器件一般用GaAs和InP基半导体材料构成。GaAs基MESFET结构示意图（续）包括从晶片开始加工到中间测试之前的所有工序。前工序中包括以下三类工艺：（1）薄膜制备工艺：包括氧化、外延、化学气相淀积、蒸发、溅射等。（2）掺杂工艺：包括离子注入和扩散。（3）图形加工技术：包括制版和光刻。1，前工序包括从中间测试开始到器件完成的所有工序,有中间测试、划片、贴片、焊接、封装、成品测试等。2，后工序8.5集成电路基本制造工艺8.5.1工艺类型简介-—可分成三类：前工序、后工序及辅助工序。（1）超净环境的制备。（2）高纯水、气的制备：IC生产中所用的水必须是去离子、去中性原子团和细菌，绝缘电阻率高达15MΩ·cm以上的电子级纯水；所使用的各种气体也必须是高纯度。（3）材料准备：包括制备单晶、切片、磨片、抛光等工序，制成IC生产所需要的单晶圆片。3，辅助工序4，工艺流程（续