微電子技術(shù)及其應(yīng)用

微電子技術(shù)及其應(yīng)用關(guān)鍵詞：微電子技術(shù)集成電路微機電系統(tǒng)生物芯片系統(tǒng)芯片一、微電子技術(shù)介紹微電子技術(shù)，顧名思義就是微型的電子電路。它是隨著集成電路，尤其是超大規(guī)模集成電路而發(fā)展起來的一門新的技術(shù)。微電子技術(shù)是在電子電路和系統(tǒng)的超小型化和微型化過程中逐漸形成和發(fā)展起來的其核心是集成電路，即通過一定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互聯(lián)，采用微細加工工藝，集成在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅和砷化鎵）上,并封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。與傳統(tǒng)電子技術(shù)相比，其主要特征是器件和電路的微小型化。它把電路系統(tǒng)設(shè)計和制造工藝精密結(jié)合起來適合進行大規(guī)模的批量生產(chǎn)，因而成本低，可靠性高。它的特點是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，微電子技術(shù)對信息時代具有巨大的影響。它包括系統(tǒng)電路設(shè)計、器件物理、工藝技術(shù)、材料制備、自動測試以及封裝、組裝等一系列專門的技術(shù)，是微電子學(xué)中的各項工藝技術(shù)的總和。二、微電子技術(shù)相關(guān)應(yīng)用微電子技術(shù)是現(xiàn)代電子信息技術(shù)的直接基礎(chǔ)?，F(xiàn)代微電子技術(shù)就是建立在以集成電路為核心的各種半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的高新電子技術(shù)。微電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于民用、軍方、航空等多個方面，現(xiàn)在人類生產(chǎn)的電子產(chǎn)品幾乎都應(yīng)用到了微電子技術(shù)，可以這么說微電子技術(shù)改變了我們的生活方式。微電子技術(shù)過去在醫(yī)學(xué)中的主要是應(yīng)用于各類醫(yī)療器械的集成電路，在未來主要是生物芯片。生物芯片技術(shù)在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、藥業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)等凡與生命活動有關(guān)的領(lǐng)域中均具有重大的應(yīng)用前景。微電子技術(shù)對電子產(chǎn)品的消費市場產(chǎn)生了深遠影響。價廉、可靠、體積小、重量輕的微電子產(chǎn)品，使電子產(chǎn)品面貌一新；微電子技術(shù)產(chǎn)品和微處理器不再是專門用于科學(xué)儀器世界的貴族，而落戶于各式各樣的普及型產(chǎn)品之中，進人普通百姓家。例如電子玩具、游戲機、學(xué)習機及其他家用電器產(chǎn)品等。就連汽車這種傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品也滲透進了微電子技術(shù)，采用微電子技術(shù)的電子引擎監(jiān)控系統(tǒng)。汽車安全防盜系統(tǒng)、出租車的計價器等已得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代汽車上有時甚至要有十幾個到幾十個微處理器?，F(xiàn)代的廣播電視系統(tǒng)更是使微電子技術(shù)大有用武之地的領(lǐng)域，集成電路代替了彩色電視機中大1/5部分分立元件組成的功能電路，使電視機電路簡捷清楚，維修方便，價格低廉。由于采用微電子技術(shù)的數(shù)字調(diào)諧技術(shù)，使電視機可以對多達100個頻道任選，而且大大提高了聲音、圖像的保真度。微電子技術(shù)的最重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是計算機技術(shù)領(lǐng)域。計算機的發(fā)展建立在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上。影響面最大、應(yīng)用最廣泛的微型計算機的各個組成部分，從運算器、控制器、存儲器到輸入、輸出設(shè)備，都是微電子技術(shù)的結(jié)晶。集成電路的高速發(fā)展，使得計算機的核心技術(shù)一一微處理器的發(fā)展越來越快。從1971年Intel公司推出的第一臺僅有2300個晶體管、每秒6萬次運算速度的微處理器4004，到1998年推出的集成高達2130萬個晶體管、運算速度達20億次的奔騰III處理器，僅用了20多年的時間。正是由于集成電路的出現(xiàn)才使計算機成為信息科技的核心。反過來說如果沒有計算機，集成電路也不可能發(fā)展得如此迅速，因為對于大規(guī)模集成電路而言，拋開了計算機的輔助設(shè)計、輔助制造，也是不可能想象的。由于集成度的提高，增強了計算機的運算能力，并賦予它人工智能。集成電路被廣泛應(yīng)用于社會的各個行業(yè)。當前各種傳統(tǒng)工業(yè)面臨的中心任務(wù)是行業(yè)改造和技術(shù)更新，其關(guān)鍵之一就是微電子技術(shù)的應(yīng)用。例如，普通機床采用微電子技術(shù)，通過改造就可以轉(zhuǎn)變成為數(shù)控機床，于是其加工的品種就產(chǎn)生了很大的變化，其加工精度和效率將大幅度提高，因而效益將大大增長。再如，輕紡工業(yè)引入微電子技術(shù)，其產(chǎn)品設(shè)計及試制速度明顯加快，新型的花色品種層出不窮，產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高。又如，印刷工業(yè)采用了微電子技術(shù)排版不再采用鉛字，文字的增添、刪除、編排，字體的選取等都在計算機上進行，在很短的時間內(nèi)就可以全部按需要設(shè)置完成，與傳統(tǒng)印刷工業(yè)改動一字就要涉及全局已不可同日而語。集成電路的應(yīng)用不僅僅是在工業(yè)方面。在商業(yè)領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)及計算機的應(yīng)用，使傳統(tǒng)的賬冊產(chǎn)生了根本的變化，賬目的登錄、統(tǒng)計、查詢、存儲都產(chǎn)生了根本的改變，于是有了大超市、大賣場，這在20年前是不可想象的。如果說傳統(tǒng)行業(yè)引入微電子技術(shù)后提高了生產(chǎn)效率，那么微電子技術(shù)社會發(fā)展的階梯與其他技術(shù)的結(jié)合和滲透又發(fā)展成新的技術(shù)。例如，它與光電子技術(shù)和新型光纖材料相結(jié)合產(chǎn)生了光纖通信技術(shù)，它具有通信容量大、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能好、保密性強、成本低、制造容易、壽命長等特點，因此得到了廣泛的應(yīng)用。再如，衛(wèi)星通信也是微電子技術(shù)和空間技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的新技術(shù)，由于衛(wèi)星通信視角廣、視野大、距離遠，很容易實現(xiàn)長距離洲際通信。又如，以微電子技術(shù)為核心的機器人，已進入智能化階段，它將大量地在加工工業(yè)中得到應(yīng)用，并在大量繁重的、復(fù)雜的、高壓的、污染的，以及不適合人類工作的場所大顯身手。現(xiàn)代化的軍事與國防也離不開微電子技術(shù)。高速、靈活、準確的通信指揮系統(tǒng)，衛(wèi)星組織系統(tǒng)，各軍種、兵種的配合和聯(lián)絡(luò)無不依靠微電子技術(shù)。近年的海灣戰(zhàn)爭就是一場電子戰(zhàn)爭，在發(fā)起進攻之前，首先摧毀了對方的通信系統(tǒng)，使敵方龐大的隊伍失去了指揮，切斷了聯(lián)系，導(dǎo)致部隊無法進攻也無法退卻。巡航導(dǎo)彈低空巡航，以難以置信的準確度攻擊目標，都是微電子技術(shù)起的作用。所以，過去一個國家的綜合國力以鋼鐵產(chǎn)量為主要標志，而今代替鋼鐵的是微電子技術(shù)。因此國家要強盛、要尊嚴，要立于世界之林，必須大力發(fā)展微電子技術(shù)。微電子技術(shù)在醫(yī)學(xué)中也有重要的應(yīng)用。微電子技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)之間有著非常緊密的聯(lián)系。一方面微電子技術(shù)的發(fā)展，將大大地推動生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，另一方面生物醫(yī)學(xué)的研究成果同樣也對微電子技術(shù)的發(fā)展起著巨大的促進作用。采用微電子技術(shù)用于醫(yī)療檢測與生物信號研究的器件具有更好的性能、更低的成本和更高的可靠性,但系統(tǒng)材料的兼容性、散熱、系統(tǒng)供電和設(shè)備的穩(wěn)定性等問題也給設(shè)計者們帶來全新挑戰(zhàn)。微機電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用微機械應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域是微機械的主要目標之一，有著極其誘人的前景。目前，微機械在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用日漸廣泛，例如微小血管檢測器，用于心臟衰弱者的心臟起搏器，微小人工血管，用于外科手術(shù)中可實現(xiàn)各種微細操作的微型可控鑷子等等。在未來的幾十年中，利用為機械臨床醫(yī)學(xué)必將從傳統(tǒng)醫(yī)療手術(shù)到顯微手術(shù)進而向遙控手術(shù)方向發(fā)展，同時通過基因改造使人體自身提高抗病能力，醫(yī)學(xué)中進入人體小器官中的微電子機械系統(tǒng)將發(fā)展成為傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動器和智能系統(tǒng)有機結(jié)合的多功能智能操作系統(tǒng)，并依靠環(huán)境生物化學(xué)能來解決本身能量源問題。因而微機械將在不斷提高醫(yī)療技術(shù)、減少醫(yī)療事故、延長人類壽命發(fā)揮越來越重要的作用。生物芯片技術(shù)微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合是以DNA芯片等為代表的生物工程芯片，它將是21世紀微電子領(lǐng)域的另一個熱點和新的經(jīng)濟增長點。它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，并與微電子技術(shù)相結(jié)合進行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關(guān)注。生物芯片雖然只有10多年的歷史，但包含的種類較多，分類方式和種類也沒有完全的統(tǒng)一。其中根據(jù)用途分類主要有生物電子芯片和生物分析芯片；按照作用方式分類主要有主動式芯片和被動式芯片；按照固定在載體上的物質(zhì)成分分類主要有基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細胞芯片、組織芯片和其他的微型化芯片。目前，生物芯片最大用途在于疾病檢測、基因表達水平的檢測、基因診斷、藥物篩選、個體化醫(yī)療測序以及生物信息學(xué)研究。生物芯片將極大的改變我們的醫(yī)療模式，提高我們疾病的監(jiān)測和治愈水平，更好地保障人類的將康。另外，系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀微電子技術(shù)發(fā)展的重點。在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設(shè)計都從器件的物理版圖設(shè)計入手，后來出現(xiàn)了集成電路單元庫，使得集成電路設(shè)計從器件級進入邏輯級，這樣的設(shè)計思路使大批電路和邏輯設(shè)計師可以直接參與集成電路設(shè)計，極大地推動了"產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術(shù)實現(xiàn)整機系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計技術(shù)已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于IC設(shè)計與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，已經(jīng)可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯片。目前已經(jīng)可以在一個芯片上集成108—109個晶體管，而且隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，21世紀的微電子技術(shù)將從目前的3G時代逐步發(fā)展到3T時代。正是在需求牽引和技術(shù)推動的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SOC）概念。系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設(shè)計思想是不同的，它是微電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命，它和集成電路的關(guān)系與當時集成電路與分立元器件的關(guān)系類似，它對微電子技術(shù)的推動作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術(shù)。SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個（或少數(shù)幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，它的設(shè)計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自頂向下的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設(shè)計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用SOC方法和0.35umX藝設(shè)計系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當于采用0.18?0.25^皿工藝制作的IC所實現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設(shè)計的芯片相比，采用SOC設(shè)計方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目約可以降低l?2個數(shù)量級?？傊?，微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到諸如現(xiàn)代通信、計算機技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境工程在源、交通、自動化生產(chǎn)等各個方面，成為一種既代表國家現(xiàn)代化水平又與人民生活息息相關(guān)的高4/5新技術(shù)。三、國內(nèi)現(xiàn)狀及個人感想中國的集成電路產(chǎn)業(yè)起步于1965年，經(jīng)過30多年的發(fā)展，現(xiàn)已初步形成了包括設(shè)計、制造、封裝業(yè)共同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。芯片生產(chǎn)技術(shù)已達到8英時、0.25微米-0.18微米水平。但總體來講，我國集成電路產(chǎn)業(yè)比較弱小，1999年銷售額僅占國際市場份額的0.7%，只能滿足國內(nèi)市場需求的16%。要提高我國微電子技術(shù)的整體水平，我們還需要長期的艱苦努力?；仡?0世紀后50年，展望21世紀前50年，即百年的微電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展歷程，使我深切地感受到，世紀之交的微電子技術(shù)對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。如果我