集成电路与应用精品(七篇)
集成电路与应用篇(1)
关键词： 厚膜; 电荷耦合器件; 驱动电路; 集成电路
中图分类号： TN386.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）06?0145?04
Design and application of highly?integrated circuit in photoelectric detection
SUN Zhen?ya， LIU Dong?bin
（Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China）
Abstract： Because of the large?scale and high?integration development for the space camera， and the limitation of space， the circuit has to be optimized， even some special technologies have to be used to reduce the area of the circuit board. In consideration of the complexity of driver circuit of CCD detector， the driver circuit was integrated in a module by the thick film technology. There are many advantages in thick film technology such as high reliability， flexible design， low cost and short cycle. The integrated area through the thick film technology was reduced to the 1/3 area as the original circuit board before integration. The output signal of the thick film integrated module is perfect for the demand of CCD detector. At the same time， the design provides a certain reference for the large?scale integrated circuit design in the space missions.
Keywords： thick film; CCD; drive circuit; integrated circuit
0 引 言
随着人类对太空的探索，空间相机的发展越来越迅速。在许多空间光电探测的电路系统中多使用CCD （电荷耦合器件，Charge?Couple Device）来进行光电转换。CCD是将入射光在所有光敏单元激发的光信号转换成模拟电信号的光电转换器件。该器件具有小体积、轻重量、低功耗、高精度、长寿命等优点，被广泛应用在空间光电探测、航天遥感观测、载荷对地观测等领域[1?3]。
CCD工作时需要适当的时序驱动信号，并且产生的电信号需要进行后续处理后才能给控制系统识别。CCD产生的电信号是模拟信号需要进行相应的视频处理电路，视频处理电路系统包AFE（，Analog Front End，模拟前端），FPGA和数字信号处理模块。
空间相机的发展越发趋向于大规模化高集成的设计，空间相机中的硬件电路的高度集成化变得越来越让人们关注与研究。目前，关于空间光电探测电路系统的高集成度的技术发展主要体现在厚膜电路和半导体级的ASIC（Application Specific Integrated Circuits，专用集成电路）两个领域。厚膜电路是将电阻、电容、电感、芯片的管芯通过互连的铜线在印制板上制成的，其优势在于性能可靠，设计灵活，投资小，成本低，周期短。ASIC是按照用户的需求，在一个芯片上专门设计具有某些特定功能的集成电路，其性能高（可以比厚膜电路做的更高）、可靠性高。但是由于用户的需求量少，对于用户来说其成本相对较高，且难度高[4?5]。
为实现空间相机电子学的大规模化、高集成的要求，本文将比较通用的一款TDI CCD探测器的时序驱动电路模块设计成厚膜集成电路，并且根据实际PCB版优化厚膜电路设计和性能指标，得到了较好的结果。
1 TDI CCD探测器
该TDI（Time Delayed and integration，时间延迟积分）CCD探测器可以探测到两类光谱区。这两类光谱区分别是彩色B区和全色P区。由于实际情况需要，将该CCD探测器的时钟工作频率设定在20 MHz，行频设置在1 kHz。由于该CCD探测器的光谱区多，所以它的驱动时序也是很复杂的，一共有89个驱动信号，将可以共用的信号合并后仍然有61个驱动信号。由于该探测器实际需求的驱动信号过多，本文中仅以CIxP为例讲述驱动电路的设计以及实验结果。表1中给出了该CCD探测器的CIxP驱动信号的电压幅值范围。该CCD探测器的驱动信号需要FPGA产生相应的时序的驱动信号，并通过相应的时序驱动电路变为所需要的电压幅值范围。
表1 CI和TCK时钟驱动信号
图1中的CIx和TCK的上升沿时间记为tr，典型值50 ns;CIx和TCK的下降沿时间记为tf，典型值50 ns;转移时间记为ttran，典型值3.6 μs，根据实际工作需要改为1 ms;TCKB的信号周期记为TTCKB，根据行频而定;TCKP的信号周期记为TTCKP，根据行频而定;CI2的下降沿到CI1的上升沿的时间差记为t1，典型值0.5 μs;CI1的上升沿到CI3的下降沿的时间差记为t2，典型值0.5 μs;CI3的下降沿到CI2的上升沿的时间差记为t3，典型值0.5 μs;CI2的上升沿到CI4的下降沿的时间差记为t4，典型值0.5 μs;CI5的下降沿到CI3的上升沿的时间差记为t5，典型值0.5 μs;CI3的上升沿到TCK的下降沿的时间差记为t6，典型值0.5 μs;CI1的下降沿到CI4的上升沿的时间差记为t7，典型值0.5 μs;CI1和TCK的高电平时间记为tcla，典型值2.5 μs;CI2、CI3和CI4的低电平时间记为tclb，典型值1.5 μs。
2 驱动电路设计
本文针对该CCD探测器的驱动电路设计分为两个步骤：
（1） 通过现在市面上的芯片选择适合该驱动电路芯片设计而成。
（2） 对通过芯片设计的驱动电路做实验得到与该CCD探测器相需求的时序结果，进行整合通过厚膜技术来实现最终电路。
最终的驱动电路分为左右两个模块（两个模块设计的完全相同）分别针对该CCD探测器左右驱动时序，并且把驱动电路中用到的LDO等电压转换模块通过厚膜技术集成到一个模块[6?7]。
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图1 P和B区的垂直转移时序图
图2给出了驱动模块的管脚示意图，该模块可以产生一般的水平驱动信号（20 MHz）以及大部分的垂直驱动信号，51号脚是针对模块内部的测温度的热敏电阻预留的。图中的左侧的上面两组是输入信号，右侧的上面两组是输出信号。其他的为电源和地信号。
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图2 驱动模块的管脚图
图3给出驱动模块的版图，速度较快的水平驱动信号（20 MHz）均放在版图的最，内部放置的是垂直转移信号。该厚膜模块最后的面积为37 mm×37 mm，约为原来没有厚膜集成的[13]。
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图3 驱动模块的厚膜版图
该模块中集成的大部分芯片是EL7457，EL7457是一款高速度，同相位，四通道的CMOS驱动器。该驱动器可以驱动40 MHz的信号，并且输出电流值可以达到2 A。
以CI1P，CI2P，CI3P，CI4P这4个信号为例，这4个信号的幅值范围是-5～5 V，但是从图2的时序图中可以知道，CI1P的信号大部分的时间内都是低的，而CI2P，CI3P，CI4P的信号大部分的时间内都是高的。所以电路设计时将区别对待，由图4知EL7457的供电电压设置为10 V可以让CIxP的信号幅值达到10 V，通过0.22 μF的电容隔直后，再通过二极管与电阻并联接偏置电压的设计将其拉到正常工作的范围，出来的信号在工作电压范围方面就达到CCD手册的要求。CI1P的偏置电压设置为-5 V，当10 V的方波信号过来后由于二极管的正向钳位作用使得CI1P的最小电压是-5 V，所以得到了-5～5 V的信号，且无信号时为低（-5 V）。CI2P，CI3P，CI4P的的偏置电压设置为5 V，当10 V的方波信号过来后由于二极管的正向钳位作用使得CI2P，CI3P，CI4P的最大电压是5 V，所以得到了-5～5 V的信号，且无信号时为高（5 V）。
OFFSET偏置电压通过电阻分压外接运放负反馈驱动的形式产生的，见图5，采用这种电路结构优势在于可以减少电路中线性稳压器的数量，由于该探测器需求的驱动信号数量多，电压值多，若所有电压值都采用线性稳压器，不但会导致电路板尺寸会大很多，而且更加引入散热的问题。同时偏置电压信号所需要的电流相当的小根本不需要线性稳压器[8?9]。
3 驱动信号的实验结果
针对CIxP的测试，在实验测试中以驱动模块的输入信号（FPGA的输出信号）TCKP_FPGA为基准信号，对CIxP以及其对于的OFFSET偏置电压进行单组测量。
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图4 CIxP原理图
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图5 OFFSET偏置电压原理图
图6中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V）、CI1P（与TCKP_FPGA有相同的相位，幅值范围-5～4 V）、以及CI1P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET-5 V。
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图6 CI1P的信号
图7中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V）、CI2P（超前于TCKP_FPGA约0.5 μs，幅值范围-4～5 V）、以及CI2P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波动）。
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图7 CI2P的信号
图8中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V），CI3P（反向于TCKP_FPGA，且下降沿到TCKP_FPGA的上升沿的时间约延后0.5 μs，幅值范围-4～5 V）、以及CI3P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波动）。
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图8 CI3P的信号
图9中的三组信号分别是：TCKP_FPGA（幅值范围0～3.3 V）、CI4P（反向于TCKP_FPGA，且下降沿到TCKP_FPGA的上升沿的时间约延后1.5 μs，幅值范围-4～5 V）、以及CI3P信号对应二极管上的嵌位电压OFFSET+5 V（在TCKP_FPGA的下降沿末端有波动）。
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图9 CI4P的信号
CIxP的四组信号由于实际电路图中的电容分压导致最终幅值没有达到10 V，但是仍然在CCD的手册要求范围内。OFFSET电压在信号变化较多的点会有串扰导致波动，但是对实际的CIxP影响甚微[10?11]。
4 结 语
通过厚膜技术对驱动电路集成后的面积减少到[13]，虽然该模块需要添加散热，但是面积的减少使得在同样面积的PCB上集成更多的模块，实现更多的CCD阵列。对所有驱动信号用示波器进行测量，均满足要求。本文中仅给出CIxP的信号波形进行事例。实验结果表明驱动电路的厚膜技术可以满足在光电探测中的集成应用。本设计中的驱动电路的厚膜集成也对其他航天任务中大规模电路的集成提供了一定的参考借鉴作用。
参考文献
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集成电路与应用篇(2)
关键词神经通路；神经植入探针；传感后单集成芯片；微型生物可穿戴设备
1引言
谷氨酸（Glutamate，Glu）是神经内关键的兴奋性神经递质之一，其代谢与大神经认知、记忆、运动、神经元可塑性等功能相关[1]。神经信息传导具有神经电生理和神经递质两种方式。对神经内谷氨酸和神经电生理并行检测有利于全面研究神经系统功能。目前，针对谷氨酸和电生理信号的文献报道都是利用单模手段，而在体双模检测报道很少。如2015年Kanamori结合EEG电极和微透析的双模检测法，在体研究大鼠神经内谷氨酸浓度增加的现象[2]。2014年Tani等[3]在神经片中分离出海马CA3区和皮层的谷氨酸能神经突触，通过的功能特别依赖于谷氨酸信号转运，因此熟悉海马生理结构，并从神经电生理、谷氨酸递质传导等方面分析海马区的神经传导通路，是海马区相关神经疾病研究的重要方法。他们采用膜片钳记录电刺激后的离子通道信号，并使用荧光共振能量转移技术测量谷氨酸释放。不论基于神经调控进行病理、药理研究，还是研究某特定神经区神经回路的作用机制，在体实时获得相关神经区电生理和谷氨酸化学递质信号的双模并行变化具有重要意义[4]。谷氨酸与相关化合物通过延长兴奋性突触传递作用导致神经元破坏，引发兴奋性毒性，从而引发癫痫、神经创伤、神经缺血等急性神经元损伤。通常情况下，释放到突触间隙的谷氨酸浓度可达1mmol/L，时间维持10
3s，在突触间隙的谷氨酸长期累积，引起谷氨酸受体受到过分刺激，从而导致神经元损害甚至死亡。海马（Hippocampus）是脊椎动物（包括人类）大脑神经的重要组成，在记忆形成和空间感知中具有非常关键的地位。海马区结构和功能的改变与癫痫、阿尔茨海默病、精神分裂症等神经疾病关系密切，是病理研究的重要神经区之一[5]。长期增强效应作为神经可塑性重要形式即在海马区被第一次发现[6]。海马区神经电信号分类和特征分析在神经疾病研究中具有重要意义，而海马区的功能特别依赖于谷氨酸信号转运，因此熟悉海马生理结构，并从神经电生理、谷氨酸递质传导等方面分析海马区的神经传导通路，是海马区相关神经疾病研究的重要方法。
本研究运用纳米材料修饰技术、微纳加工制造技术、酶生物传感技术、神经调控技术，设计了一款双模（电生理电位与谷氨酸化学递质）并行检测的植入式、8通道神经信息检测器件，并进行在体测试研究。同时，神经器件检测的动作电压信号被后续后端电路进行放大、滤波、去噪、模拟到数字信号转换、功耗优化、并且电路模块高度集成，图1为本研究设计的神经信号处理传感芯片系统整体，并且该微型可穿戴系统[7]可以移植到手机及其它便携生物信号检测终端。
2SOIMEMS谷氨酸检测神经植入传感器和信号处理集成单芯片制备
2.1MEMS植入神经探针制备
本实验采用SOI自停止技术形成硅基底，SOI硅片中间二氧化硅氧化层可作为背面基底湿法腐蚀的自停止层。MEMS神经信息传感探针基于三层光刻工艺，利用了3块掩膜版，如图2所示，探针关键制备流程：（1）为了使硅基底与微电极阵列之间完全绝缘，热氧化制备硅底绝缘层（图2A）；（2）利用第一块掩膜版光刻显影将图形转移到光刻胶上，在其上溅射Ti层后溅射Pt薄膜层，增强粘附性，再剥离光刻胶层与多余的Ti/Pt薄膜层，留下记录位点、导线和焊盘的金属导电层图形，以形成金属导电层（图2B）；（3）采用等离子化学气相沉积（PECVD）方法沉积氮化硅（Si3N4）绝缘层，利用第二块掩膜版进行光刻显影，对氮化硅进行等离子刻蚀，暴露出电极及焊盘，保留引线表面覆盖的绝缘层，以形成氮化硅绝缘层（图2C）；（4）利用第三块掩膜版进行光刻显影，通过深刻蚀形成硅针基底外形；通过湿法腐蚀去除SOI底层硅，使硅针以外的二氧化硅薄层下脱落，形成微电极阵列针体（图2D）。电极针体通过压焊工艺与尾端接口电路进行焊接封装，形成完整的微电极阵列芯片。MEMS传感探针整体，后端正方形焊盘通过压焊连接到外部接口电路，与斩波放大接口电路进行匹配集成（图3A为传感探针的后端尾端焊盘），而尖端则修饰纳米材料酶敏感膜为传感探针的尖端检测位点部分（图3B为2个同样的Pt铂探针），以形成特异选择性的生物识别点。该MEMS探针芯片在硅针基底上集成了电化学微电极阵列、电生理微电极阵列、引线、焊盘以及氮化硅绝缘层。其中，硅探针1（以棱形分布着通道1，2，3和4，为电生理信号检测通道）淀积铂黑纳米材料，用于电生理信号检测；而硅探针2（以棱形排部着通道1，2，3和4，为电化学信号检测通道）则修饰PtmPDGluOx固定敏感复膜，用于神经化学递质信号检测。电生理和电化学位点距离尽量近，便于检测微米范围内同一脑区微h境的电生理/电化学信息。为了防止互相干扰，电极之间距离不能太近。探针前端可植入部分长8mm，探针体宽90μm，相邻探针1与2的间隔是180μm，4个圆形检测位点为一组，分布在每个硅探针尖端，圆形位点直径12μm，形成具有高时空分辨率、生理与化学递质信息互不干扰的微米级检测精度的神经信息检测双探针。
2.2神经电生理检测位点铂纳米颗粒
为了提高微弱神经信号的检测灵敏度，在MEMS探针表面修饰纳米材料，其纳米结构能够有效增大比表面积[8]，以加快表面的电子转运，提高电流响应灵敏度。电化学铂沉积使用阴极沉积机制，在基体电极上直接外延生长纳米铂颗粒层，铂黑的电沉积镀液使用H2PtCl4，再加少量硝酸铅、醋酸铅，铅离子均匀化铂镀层晶粒，同时减少析出的氢的数量，提高了沉积电流效率。通过改变沉积电压及时间，可以形成多种不同形貌的电极表面。沉积电位电位过小不会发生氧化还原反应，电位过大则会引起颗粒簇集问题；沉积时间会影响铂黑层的致密均匀性与厚度，沉积具体操作为：将45mmol/L氯铂酸和4.0mmol/L醋酸铅溶液按体积比1〖KG-3∶〖KG-51配制成电解液，取15mL备用。实验采用两电极体系，将需要电镀的4个位点与电化学工作站工作电极相连，电生理检测的铂丝电极与工作站的对电极（与参比电极短接）相连。将铂丝电极和电极尖端浸入电解液中，在
.1V恒电位下沉积1min，电镀结束后，用去离子水洗掉电极表面的残留离子，即得到疏松的铂黑颗粒薄层。在1kHz处，对修饰后的微电极表面进行电化学阻抗扫描，修饰后的电极阻抗约为34.0kΩ，比未修饰纳米材料的裸电极阻抗下降了一个数量级。图4A为探针修饰铂黑纳米后的表面扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope，SEM）照片，图4B为化学递质探针尖端表面的铂黑形貌，显示出明显的黑色颗粒层。
2.3电化学检测位点选择性酶膜修饰
制备的MEMS铂探针电极表面固定的谷氨酸氧化酶（LGlutamateoxidase，GluOx）可氧化为谷氨酸，生成氨、H2O2和α酮戊二酸，通过间接测量H2O2发生氧化还原反应的产生电流，再进行电流与谷氨酸浓度的换算，即可得到谷氨酸浓度变化曲线。如图5所示，本研究使用交联法酶固定技术，并加入牛血清蛋白BSA惰性蛋白质作为基质，以防止酶分子交联过程中因密度过大可能导致酶活性中心不能接近底物问题。
在谷氨酸检测位点上固定PtmPDGluOx复膜结构，其中沉积的间苯二胺（1，3Phenylenediamine，mPD）层可与酶层形成有效大分子过滤抗干扰层，阻止尺寸比较大的分子（抗坏血酸AA、多巴胺DA、3/4二羟基苯乙酸DOPAC）通过，而小分子（H2O2等）则可以穿过，膜层接触电极表面发生反应，生成牢固的复膜结构，即形成有效的谷氨酸神经化学递质识别位点。修饰好的电极在室温固化后，形成的酶层稳固性极佳，用水进行冲洗不会脱落。通过对3个电化学位点进行谷氨酸标准溶液标定，在PBS缓冲液中，+0.7V电位作用下，神经化学递质检测电极mPDGluOx微电极对6～35μmol/L不同浓度谷氨酸进行标定，结果显示线性度为0.98，单位面积灵敏度为0.0069pA/μmol，电流响应误差低于3.0pA，线性相关系数（R）为0.97；如图6A所示，mPDGluOx微电极响应电流随谷氨酸浓度的增加而增大；如图6B所示，谷氨酸在电极表面氧化电流与浓度呈线性关系，灵敏度为24.6pA/（μmol/L）。证明设计的电化学检测探针可以实现特异性选择功能。实验结果表明，微电极位点一致性良好、电化学性能可靠，化学递质检测硅针2上以棱形分布着通道5，6，7和8，可用于化学递质谷氨酸的检测。
2.4MEMS传感后端信号处理集成单芯片制备
如图7所示，神经电生理传感后端信号处理集成单芯片包括：带宽/增益可调的低噪声神经电（动作/局部场电位）微弱信号斩波稳定放大器、SARADC与ASK/FSK调制的射频发射器。传感后端的小信号放大器进行前端传感器感知的微弱神经电生理信号的放大与直流失调/低频闪烁噪声的抑制，然后送到低功耗中速SARADC模块进行模拟到数字信号的转换，最终SARADC输出的数字信号被数字编码器模块进行无线信道传输编码并打包成帧，然后帧码流对射频电路物理层进行基于ISM（Industrialscientificmedical）2.4GHz波段的射频上频谱调制，最终经过天线辐射到远处接收基站。芯片能耗进行了降低优化，以提高设备续航时间。本研究设计的传感后端数模混合信号调理单芯片，具有神经电传感后端处理的普适应用价值，构建了可穿戴场合应用的微型神经信号采集与无线传输设备。该模块可以集成到生物智能检测手持终端设备，以构建智慧神经电传感检测设备。
2.4.1神经电生理信号的斩波稳定放大使用调制/解调斩波去噪技术[9]，开发了具有普适应用价值的神经电生理电压信号斩波小信号放大电路。斩波稳定电路利用纹波抑制环路消除位于单级放大器输出端的纹波电压，以避免纹波电压导致后续电路的饱和问题[10]。斩波电路使用正反馈环路技术以提高输入阻抗，提高后端斩波放大器与传感器的分压比，并且负反馈环路用于稳定中频增益。斩波放大器主体核后级联的基于采样/保持原理的部分用于消除由于非理想的MOS开关引起的毛刺噪声，并且斩波放大系统的增益/带宽可以用数字方式进行调整。斩波放大电路基于功耗节省效率提高的电流复用单级放大主体核，并且放大主体单级核增益足够大，有利于抑制后续电路噪声[11]。设计的斩波放大电路，配合双模并行SOIMEMS神经信息检测器件，进行了放大电路关键指标的测试：等效输入噪声电压≤0.7μVrms（rootmeansquare）、数字可调增益范围71～82dB（4200～11200倍）、功耗是8.0μW/单通道、共模抑制比>110dB、电源抑制比>100dB等。
2.4.2SARADC模/数转换SARADC电路采用多级放大器级联自动归零去噪声、锁存去回踢噪声、最高位MSB电容拆分、电容阵列失配消除等技术，研发了一款转换速度适中的SARADC核，其关键参数是：等效量化位数（Effectivenumberofbits，ENOB）为12bits，当最大转换速度为1Msps时，芯片功耗为1.2mW，最大转换速度为1Msps，信噪比SNR为60.9dB、无杂散动态范围（Spuriousnoisefreedynamicrange，SFDR）73.7dB。SARADC使用了深N阱工艺，并且SAR数字控制部分进行单独隔离，防止数字抖动对模拟部分的干扰。最后，对流片后的ADC模块进行测试。结果表明，SARADC可完成放大后模拟神经电压的数字转换。
2.4.3ASK/FSK调制的射频发射利用直接上变频的ASK/FSK调制的射频电路结构，主要模块包括基于锁相环的频率综合器（Phaselockedloopfrequencysynthesizer，PLLFS）与E类的功率放大器（Etypepoweramplifier，PA）。设计的神经电可穿戴设备的感知节点需要布置在人体头部表面，需要使用电池供电；考虑系统复杂度与硬件成本，低功耗、高速率、高集成度是射频电路设计的目标。VCO（Voltagecontroloscillator）通过频率控制字进行频带的选择；此外，分频字进行分频器分频比的控制。PAE的输出功率通过功率控制字进行PAE输出幅度的控制，具有频谱纯净、易于集成、功耗低等特点。FSK调制通过关断锁相环内的开环VCO电容阵列，VCO的变容管电容随着控制电压改变而改变，进而改变输出信号的频率与相位。VCO通过增加电容阵列的数目来扩大VCO的调频范围，从而避免控制电压控制变容器引起的非线性问题。
2.4.4集成后的传感芯片系统、与商用设备&旧系统的对比本研究研发的神经电生理（动作/场电位）信号采集传感后端IC芯片与前端神经电生理探针匹配后集成，具有很小的体积，可以构建微型可穿戴神经检测设备[12]。与商用的Cerebus公司多通道神经电生理信号记录系统进行比较，此多通道神经电检测仪器对电生理信号检测的准确度为95%。由于本电路模块高度集成化，可用于构建神经信息可穿戴微型终端，并且芯片内部对数字逻辑部分进行基于单独隔离环的保护，以及利用深N阱工艺，以降低电路内部噪声。此传感芯片系统体积大大减小，具有便携可穿戴实际应用价值。
3实验部分
3.1实验动物、仪器与试剂
实验动物：健康野生型小鼠；实验试剂：0.9%生理盐水（石家庄四药公司），0.7%趵坦（国药集团化学试剂有限公司）；实验仪器：脑立体定位仪，液压微推进器，BSA124S型电子天平（德国赛多利斯公司）；MWD20型超纯水器（美诚公司，中国）；数据分析软件：OfflineSorter动作电位分类软件（PlexonInC.美国）、NeuroExplorer神经信息分析软件（NexTechnologies，美国）。
3.2实验方法
对麻醉小鼠进行0.75%戊巴比妥钠腹腔注射，去掉头皮后在小鼠颅骨上开1.5mm×1.5mm窗口，并挑破电极进入处的硬神经膜。电极植入时通过大神经皮层进入海马区域，水平定位是（ML：2.01mm，AP：2.04mm）。将微电极阵列垂直固定在微推进器上，通过液压推进器以1.1μm/s的速度缓慢匀速推进微电极，分别到达3个植入深度后暂停120s，等待电流稳定后继续匀速推进。整个实验过程中电极尖端垂直行程为2.2mm，并停留记录在4个不同深度处，包含皮层到海马区不同深度的神经区结构。采用Ag|AgCl丝植入到小鼠神经皮层作为电化学参比电极（AP：2.0mm，ML：
2.01mm，DV：
.01mm）。MEA上的一个电化学位点连接Gamry电化学工作站，采用计时电流法检测神经内化学递质谷氨酸，施加恒电位+0.70V，采样频率为2Hz（采样间隔为0.50s）。
4结果与讨论
4.1皮层至海马区谷氨酸浓度变化
本实验电极覆盖皮层到海马区不同脑区深度的4个停留记录位置如图8所示。电极由皮层植入海马区过程中，使用计时电流法实时记录电流变化[13]，并从立体定位仪上读取植入深度Z（图8）。
在植入初期，电极在皮层表面Z=0.20mm处停留足够长时间（90s），直至电流稳定在约15.19pA。图9A显示400s内电极由皮层（Z=0.70mm）植入到海马区（Z=1.80mm）过程中的电流变化，电极在每个标定深度处停留约40s，并在下降过程中保持匀速。植入过程中电流曲线出现两个明显的浓度台阶，说明谷氨酸在不同神经区分布的自然浓度差异。图9B显示4个不同深度神经区对应的谷氨酸浓度
变化趋势。为了减小计时电流法中非法拉第电流的影响，取Z=0.20mm处最后10s的扫描电流均值为神经颅内‘0′谷氨酸浓度对应的基底电流，电极稳定在某一具体深度后，计算氧化电流均值与该基底电流的差值，通过标定曲线灵敏度换算为该深度神经区的谷氨酸浓度。深度1对应神经区位于视觉皮层，谷氨酸浓度分别为（35.50±0.03）μmol/L、（37.80±0.27）μmol/L。深度3对应神经区位于海马CA1区，谷氨酸浓度分别为（84.50±0.31）μmol/L。深度4处的浓度谷值分别对应皮层与CA1区、CA1区与齿状回交接处的神经区。
4.2皮层至海马区电生理信号分析
利用OfflineSorter软件聚类分析记录到的神经动作电位（Spikes），得到单神经元的放电序列。图10A显示了神经皮层区和海马区典型通道1和3记录到的电生理信号。4个通道在皮层区记录到5种典型Spike，第3通道同时检测到两种不同类型的动作电位；而4个通道在海马区记录到3种典型Spike，其中第4通道同时检测到两种不同的动作电位。记录到的皮层区动作电位发放频率均值为2.10～10.67spikes/s，远大于海马区动作电位发放频率均值0.03～0.15spikes/s。目前，传统微透析法检测的海马区谷氨酸浓度为110～200μmol/L，略高于此微探针电极测量结果。神经电生理实验表明，该微电极上的多测量点可同时记录神经元不同层次的场电位[14]，并很好地记录单个神经元的胞外神经动作Spike电位。微电极记录的皮层动作电位波形种类、发放频率均大于海马区细胞发放水平，说明皮层细胞活跃性和通讯复杂度大于海马区。对海马区的神经电生理记录中，现有文献报道采用膜片钳记录到的海马神经元自发放电主要分为5种类型，分别为不规则发放型、单波规则发放型、紧张发放型、阵发排放型及周期排放型[15]，图10B为通道1记录到的同一种放电波形具有锥体细胞的簇状放电特性。
5结论
针对在体神经信息检测的实际需求，使用SOI衬底的MEMS技术制备了一种双通道植入式神经信息检测8通道微电极阵列芯片。此芯片在硅针基底上集成了铂金电化学微电极、电生理微电极、焊盘与引线等。采用纳米修饰、酶固定技术分别进行电生理位点、谷氨酸检测位点定向修饰。铂黑修饰后电生理检测位点阻抗比裸电极下降了一个数量级；谷氨酸位点在标准谷氨酸溶液内的线性度与单位面积灵敏度、反应时间、选择性均满足要求。基于研发的微电极阵列芯片对皮层至海马区的神经电生理与谷氨酸在体双模检测，实时测量到从皮层至海马区的谷氨酸动态释放和神经动作Spike发放，验证了植入式微电极阵列可实现谷氨酸递质、动作电位和场电位的并行在体检测，可为皮层到海马区神经通路的研究提供有效的MEMS植入神经传感探针。此外，基于传感后端处理芯片（斩波稳定神经电生理小信号放大、SARADC模数转换、编码器与射频发射）构建了一款低噪声低功耗的微型神经电生理信息可穿戴设备。
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杨润生，潘盛武，方颖，杨盛昌.生物医学工程研究，2009，（1）：25-27
AbstractA8channelneuralsignal′ssimultaneoustransducerdetectionmicrosystemwasdevelopedtoresearchtheneurallooplocatedatthebrainhippocampuszone.ThecomponentsofthesystemcontainedtheneuralprobemanufacturedwiththeMicroelectromechanicalsystems（MEMS）techniquebasedonsilicononinsulator（SOI）substrate，biologicallownoisechopperstabilizationamplifier，lownoiseandintermediatespeedSARADCconverter，reducedandlowpowerASK/FSKmodulationradiotransmitter.Themicrosystemwasapplicablewiththecharactersofsmallvolume，interferencesfree，neuralelectrophysiologyandneurotransmittersimultaneousdetection，highsensitivity，highlinearity，etc.Theelectroderesistancewasoptimizedto35.0kΩafterdepositingnanometerplatinumblackonthe4electrophysiologicalsitesonthePtelectrode.Withthemodificationenzymetechnique，nanomaterialenzymemembrane（PtmPDGluOx）wasdirectlyfixedontheglutamatedetectionlocusforselectivelydetectingspecialneuralneurotransmittermatter.Inaddition，theelectrochemistrymeasurementresultsindicatedthatthelinearrangeofglutamatewas6-35μmol/Lwithcorrelationcoefficientof0.97，thesensitivitywas0.0069pA/（μmol/L）.Thecurrentresponseerrorwaslessthan3.0pA，whichshowedthattheneuralneedlesatisfieddifferentialselection.Also，thelogic/analogmixedsignal180nmApplicationspecificintegratedcircuit（ASIC）technique（SmicRF180nm1Poly6M）wasusedtomanufacturethetransducerbackenddisposingICchip，andthetestresultsprovidedsomekeyparameterssuchaschopperstabilizationamplifier（equivalentinputtingnoisevoltage≤0.7μVrms@1kHz，gainof71-82dB，CMRR/PSRR>100dB），SARADC（ENOBis12bits，powerconsumptionis1.2mWwhenmaxmiumconversionspeedis1Msps，signalnoiseratiois60.9dB，etc），andASK/FSKmodulationradiotransmitter（thePA′soutputtingpowerof4-5dBm，theradiationrangeof10meters）.Themicroneuraltransducerintegratedsystemwasconvenientandwirelesswearablefortheresearchofbrainhippocampusregion.
KeywordsNeuralloop；Neuralimplantableneedle；Lownoiseandlowpowerintegrationsinglechip；Biologicalwearabledevice
集成电路与应用篇(3)
关键词：集成电路专业；实践技能；人才培养
中图分类号：G642.0 文献标志码： A 文章编号：1002-0845（2012）09-0102-02
集成电路产业是关系到国家经济建设、社会发展和国家安全的新战略性产业，是国家核心竞争力的重要体现。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确将集成电路作为新一代信息技术产业的重点发展方向之一。
信息技术产业的特点决定了集成电路专业的毕业生应该具有很高的工程素质和实践能力。然而，目前很多应届毕业生实践技能较弱，走出校园后普遍还不具备直接参与集成电路设计的能力。其主要原因是一些高校对集成电路专业实践教学的重视程度不够，技能培养目标和内容不明确，导致培养学生实践技能的效果欠佳。因此，研究探索如何加强集成电路专业对学生实践技能的培养具有非常重要的现实意义。
一、集成电路专业实践技能培养的目标
集成电路专业是一门多学科交叉、高技术密集的学科，工程性和实践性非常强。其人才培养的目标是培养熟悉模拟电路、数字电路、信号处理和计算机等相关基础知识，以及集成电路制造的整个工艺流程，掌握集成电路设计基本理论和基本设计方法，掌握常用集成电路设计软件工具，具有集成电路设计、验证、测试及电子系统开发能力，能够从事相关领域前沿技术工作的应用型高级技术人才。
根据集成电路专业人才的培养目标，我们明确了集成电路专业的核心专业能力为：模拟集成电路设计、数字集成电路设计、射频集成电路设计以及嵌入式系统开发四个方面。围绕这四个方面的核心能力，集成电路专业人才实践技能培养的主要目标应确定为：掌握常用集成电路设计软件工具，具备模拟集成电路设计能力、数字集成电路设计能力、射频集成电路设计能力、集成电路版图设计能力以及嵌入式系统开发能力。
二、集成电路专业实践技能培养的内容
1.电子线路应用模块。主要培养学生具有模拟电路、数字电路和信号处理等方面的应用能力。其课程主要包含模拟电路、数字电路、电路分析、模拟电路实验、数字电路实验以及电路分析实验等。
2.嵌入式系统设计模块。主要培养学生掌握嵌入式软件、嵌入式硬件、SOPC和嵌入式应用领域的前沿知识，具备能够从事面向应用的嵌入式系统设计能力。其课程主要有C语言程序设计、单片机原理、单片机实训、传感器原理、传感器接口电路设计、FPGA原理与应用及SOPC系统设计等。
3.集成电路制造工艺模块。主要培养学生熟悉半导体集成电路制造工艺流程，掌握集成电路制造各工序工艺原理和操作方法，具备一定的集成电路版图设计能力。其课程主要包含半导体物理、半导体材料、集成电路专业实验、集成电路工艺实验和集成电路版图设计等。
4.模拟集成电路设计模块。主要培养学生掌握CMOS模拟集成电路设计原理与设计方法，熟悉模拟集成电路设计流程，熟练使用Cadence、Synopsis、Mentor等EDA工具，具备运用常用的集成电路EDA软件工具从事模拟集成电路设计的能力。其课程主要包含模拟电路、半导体物理、CMOS模拟集成电路设计、集成电路CAD设计、集成电路工艺原理、VLSI集成电路设计方法和混合集成电路设计等。此外，还包括Synopsis认证培训相关课程。
5.数字集成电路设计模块。主要培养学生掌握数字集成电路设计原理与设计方法，具备运用常用的集成电路EDA软件工具从事数字集成电路设计的能力。其课程主要包含数字电路、数字集成电路设计、硬件描述语言、VLSI测试技术、ASIC设计综合和时序分析等。
6.射频集成电路设计模块。主要培养学生掌握射频集成电路设计原理与设计方法，具备运用常用的集成电路EDA软件工具从事射频集成电路设计的能力。其课程主要包含CMOS射频集成电路设计、电磁场技术、电磁场与
天线和通讯原理等。
在实践教学内容的设置、安排上要符合认识规律，由易到难，由浅入深，充分考虑学生的理论知识基础与基本技能的训练，既要有利于启发学生的创新思维与意识，有利于培养学生创新进取的科学精神，有利于激发学生的学习兴趣，又要保证基础，注重发挥学生主观能动性，强化综合和创新。因此，在集成电路专业的实验教学安排上，应减少紧随理论课开设的验证性实验内容比例，增加综合设计型和研究创新型实验的内容，使学有余力的学生能发挥潜能，有利于因材施教。
三、集成电路专业实践技能培养的策略
1.改善实验教学条件，提高实验教学效果。学校应抓住教育部本科教学水平评估的机会，加大对实验室建设的经费投入，加大实验室软、硬件建设力度。同时加强实验室制度建设，制订修改实验教学文件，修订完善实验教学大纲，加强对实验教学的管理和指导。
2.改进实验教学方法，丰富实验教学手段。应以学生为主体，以教师为主导，积极改进实验教学方法，科学安排课程实验，合理设计实验内容，给学生充分的自由空间，引导学生独立思考应该怎样做，使实验成为可以激发学生理论联系实际的结合点，为学生创新提供条件。应注重利用多媒体技术来丰富和优化实验教学手段，如借助实验辅助教学平台，利用仿真技术，加强新技术在实验中的应用，使学生增加对实验的兴趣。
3.加强师资队伍建设，确保实验教学质量。高水平的实验师资队伍，是确保实验教学质量、培养创新人才的关键。应制定完善的有利于实验师资队伍建设的制度，对实验师资队伍的人员数量编制、年龄结构、学历结构和职称结构进行规划，从职称、待遇等方面对实验师资队伍予以倾斜，保证实验师资队伍的稳定和发展。
4.保障实习基地建设，增加就业竞争能力。开展校内外实习是提高学生实践技能的重要手段。
实习基地是学生获取科学知识、提高实践技能的重要场所，对集成电路专业人才培养起着重要作用。学校应积极联系那些具有一定实力并且在行业中有一定知名度的企业，给能够提供实习场所并愿意支持学校完成实习任务的单位挂实习基地牌匾。另外，可以把企业请进来，联合构建集成电路专业校内实践基地，把企业和高校的资源最大限度地整合起来，实现在校教育与产业需求的无缝联接。
5.重视毕业设计，全面提升学生的综合应用能力。毕业设计是集成电路专业教学中最重要的一个综合性实践教学环节。由于毕业设计工作一般都被安排在最后一个学期，此时学生面临找工作和准备考研复试的问题，毕业设计的时间和质量有时很难保证。为了进一步加强实践环节的教学，应让学生从大学四年级上半学期就开始毕业设计，因为那时学生已经完成基础课程和专业基础课程的学习，部分完成专业课程的学习，而专业课教师往往就是学生毕业设计的指导教师，在此时进行毕业设计，一方面可以和专业课学习紧密结合起来，另一方面便于指导教师加强对学生的教育和督促。
选题是毕业设计中非常关键的环节，通过选题来确定毕业设计的方向和主要内容，是做好毕业设计的基础，决定着毕业设计的效果。因此教师对毕业设计的指导应从帮助学生选好设计题目开始。集成电路专业毕业设计的选题要符合本学科研究和发展的方向，在选题过程中要注重培养学生综合分析和解决问题的能力。在毕业设计的过程中，可以让学生们适当地参与教师的科研活动，以激发其专业课学习的热情，在科研实践中发挥和巩固专业知识，提高实践能力。
6.全面考核评价，科学检验技能培养的效果。实践技能考核是检验实践培训效果的重要手段。相比理论教学的考核，实践教学的考核标准不易把握，操作困难，因此各高校普遍缺乏对实践教学的考核，影响了实践技能培养的效果。集成电路专业学生的实践技能培养贯穿于大学四年，每个培养环节都应进行科学的考核，既要加强实验教学的考核，也要加强毕业设计等环节的考核。
对实验教学考核可以分为事中考核和事后考核。事中考核是指在实验教学进行过程中进行的质量监控，教师要对学生在实验过程中的操作表现、学术态度以及参与程度等进行评价；事后考核是指实验结束后要对学生提交的实验报告进行评价。这两部分构成实验课考核成绩，并于期末计入课程总成绩。这样做使得学生对实验课的重视程度大大提高，能够有效地提高实验课效果。此外，还可将学生结合教师的科研开展实验的情况计入实验考核。
7.借助学科竞赛，培养团队协作意识和创新能力。集成电路专业的学科竞赛是通过针对基本理论知识以及解决实际问题的能力设计的、以学生为参赛主体的比赛。学科竞赛能够在紧密结合课堂教学或新技术应用的基础上，以竞赛的方式培养学生的综合能力，引导学生通过完成竞赛任务来发现问题、解决问题，并增强学生的学习兴趣及研究的主动性，培养学生的团队协作意识和创新精神。
在参加竞赛的整个过程中，学生不仅需要对学习过的若干门专业课程进行回顾，灵活运用，还要查阅资料、搜集信息，自主提出设计思想和解决问题的办法，既检验了学生的专业知识，又促使学生主动地学习，最终使学生的动手能力、自学能力、科学思维能力和创业创新能力都得到不断的提高。而教师通过考察学生在参赛过程中运用所学知识的能力，认真总结参赛经验，分析由此暴露出的相关教学环节的问题和不足，能够相应地改进教学方法与内容，有利于提高技能教学的有效性。
此外，还应鼓励学生积极申报校内的创新实验室项目和实验室开放基金项目，通过这些项目的研究可以极大地提高学生的实践动手能力和创新能力。
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集成电路与应用篇(4)
关键词：课程改革；工作任务；课程项目；技术情境；教学导航
作者简介：陈丽茹（1962-），女，辽宁开原人，哈尔滨电力职业技术学院信息工程系，副教授；刘莲秋（1964-），女，辽宁盖州人，哈尔滨电力职业技术学院信息工程系，副教授。（黑龙江哈尔滨150030）
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）12-0093-02
随着我国科技和经济的迅猛发展，社会对人才的需求正在发生着深刻的变化，教育行业受到各方面的重视。在教育部和财政部实施的国家示范性院校建设政策鼓舞下，高等职业技术学院以服务为宗旨，以就业为导向，以培养高级应用型、技艺型人才为目标。这类人才主要是在不同行业、企业的工作和生产过程中负责管理、监督、检测、分析、技术服务等几项工作。因此，高等职业技术学院正进行较大规模的专业建设和课程改革，要求高职专业的学生除了具备必要的基础理论、专业技术知识外，还必须具有解决工作生产中实际问题的能力，以适应今后的工作。
“电子技术”分为模拟电子和数字电子两大部分，在教学中从职业岗位工作任务分析着手以掌握知识和技能为根本、以工作方向为培养目标、以工作过程为导向，强调把完整的工作过程及其操作要求作为课程内容。当工作过程导向课程运用项目载体设计学习情境时，这一工作过程实际上就成了完成具体项目的自始至终的步骤。通过课程分析和知识、能力、素质分析，打破传统的教学模式，构建了“以工作任务为中心、以课程项目为主体的教学方法”。在教学中掌握课程技术原理及应用方面知识体系的完整性是非常重要的，使学生在完整的工作过程中培养应对复杂技术情境的能力。在教学中以典型电子电路制作的工作任务为中心，以多模块应用为切入点，引入对学生创新能力的培养，让学生在具体应用电路的制作过程中开发创新思维，完成相应工作任务，并构建相关的理论知识，发展职业能力。
一、模拟电子技术教学导航
模拟电子技术是研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。
理论知识：基本半导体知识、放大电路、集成运算放大电路、直流稳压电源。
技能训练：常用元件的识别与测量、放大电路性能分析、集成运算放大电路基本应用。
1.模块1：半导体器件
（1）知识重点：半导体基础知识；半导体二极管外部特性；晶体三极管外部特性。（2）知识难点：半导体PN结。（3）教学方式：从半导体PN结入手，简单介绍半导体的基本结构与工作原理。结合实践教学，重点掌握半导体的外部特性。（4）技能要求：二极管与三极管的简易测试。
2.模块2：放大电路
（1）知识重点：放大电路的基本组成；放大电路的分析；多级放大电路的极间耦合；负反馈对放大电路的性能的影响。（2）知识难点：放大电路的分析；放大电路的负反馈。（3）教学方式：从基本放大电路入手，介绍放大电路的静态与动态分析、多级放大、电路反馈；结合实践教学，重点掌握放大器的外部特性。（4）技能要求：放大电路静态工作点的调整与动态参数测试。
3.模块3：集成运算放大器
（1）知识重点：集成运放的结构和特点；基本运算电路；集成运放的线性应用电路。（2）知识难点：集成运放的线性应用电路。（3）教学方式：从理论集成运放条件入手，掌握各基本运算电路和电压比较器的功能；结合实践教学，重点掌握集成运放的外部特性。（4）技能要求：电路的调整与测试。
4.模块4：直流稳压电源
（1）知识重点：整流与滤波电路；稳压电路；开关电源。（2）知识难点：开关电源。（3）教学方式：从二极管整流特性、电容器充放电入手，讲解整流、滤波电路；稳压电源重点讲授集成稳压电路和开关电源。（4）技能要求：电路的调整与测试。
二、数字电子技术教学导航
数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、集成芯片各脚功能。随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。为了充分发挥和利用数字电路在信号处理上的强大功能，可以先将模拟信号按比例转换成数字信号，然后送到数字电路进行处理，最后再将处理结果根据需要转换为相应的模拟信号输出。
理论知识：集成门电路与组合逻辑电路、时序逻辑电路、波形产生与整形电路、中规模集成电路应用。
技能训练：组合逻辑电路应用、时序逻辑电路应用、逻辑电路限定符号识图。
1.模块1：数字电路基础
（1）知识重点：数字脉冲信号；二进制与8421BCD码；基本函数与逻辑运算；逻辑函数的化简和变换。（2）知识难点：逻辑函数的化简和变换。（3）教学方式：从二进制与逻辑函数基本规则入手，学习逻辑运算规则、逻辑函数化简与变换。（4）技能要求：逻辑函数的化简和变换。
2.模块2：组合逻辑电路
（1）知识重点：基本逻辑符号及意义；门电路的逻辑功能和基本特性；组合逻辑电路的分析常用组合逻辑电路的逻辑功能。（2）知识难点：基本逻辑符号及意义；组合逻辑电路。（3）教学方式：从基本原理与逻辑符号读解入手，重点介绍电路的逻辑功能与外部特性。（4）技能要求：基本逻辑符号读图；门电路和组合逻辑电路。
3.模块3：触发器
（1）知识重点：各类触发器的逻辑功能；触发器限定符号及其意义。（2）知识难点：触发器之间的转换关系。（3）教学方式：借助限定符号意义读解，帮助理解各种触发器的逻辑功能与控制方式；结合实践教学，重点掌握电路的外特性。（4）技能要求：触发器的逻辑功能测试。
4.模块4：时序逻辑电路
（1）知识重点：时序逻辑电路的特点；时序逻辑电路的限定符号及其意义；寄存器；集成计数器应用。（2）知识难点：集成计数器应用；限定符号及其意义。（3）教学方式：从触发器入手，由D触发器构成寄存器；由T和T触发器分别构成同步和异步二进制计数器。借助限定符号的意义来理解时序逻辑电路的逻辑功能。结合实践教学，重点掌握电路的外特性。（4）技能要求：常用的相关集成电路的应用。
5.模块5：波形产生与整形电路
（1）知识重点：555定时器；多谐振荡器与单稳态电路；施密特触发器；石英晶体振荡器。（2）知识难点：555定时器；多谐振荡器。（3）教学方式：以555定时器为重点，介绍多谐振荡器、单稳态电路和施密特触发器的功能。重点掌握电路的外特性。石英晶体振荡器从阻抗频率特性入手。（4）技能要求：常用的相关电路的应用入手。
三、电路组装、测量与调试教学导航
电子电路组装、测量与调试在电子工程技术中占有重要的地位，任何一个电子产品都是由设计焊接组装调试形成的，焊接是保证电子产品质量和可靠性最基本环节，调试是保证电子产品正常工作的最关键环节。
理论知识：常用电子仪表、电路的装配、调试与测量知识。
技能训练：常用电子测量仪表的使用、常用电路元件与数字集成电路测量、电路的装配与调试。
1.模块1：常用电子仪器知识重点
（1）知识重点：双踪示波器；半导体管特性图示仪；毫伏表；信号发生器；集成电路测试仪。（2）知识难点：双踪示波器；半导体管特性图示仪。（3）教学方式：重点讲授电子仪器的操作和使用方法。（4）技能要求：仪器的基本操作方法；半导体特性测量。
2.模块2：电子元器件的识别与简易测量
（1）知识重点：电子无源元器件；电子有源元器件；表面安装元器件。（2）知识难点：表面安装元器件。（3）教学方式：重点讲授各种电子元器件的识别与选用方法。（4）技能要求：元器件的识别与选用方法、常用数字集成电路测试。
3.模块3：电路的装配、调试与测量
（1）知识重点：装配、焊接工艺；电路测试与测量。（2）知识难点：电路测试。（3）教学方式：介绍电路装配工艺，分析电路测试与测量基本方法，结合实训进行教学。（4）技能要求：电路装配、测试与测量。
四、电子电路仿真教学导航
电路仿真技术是近十年来在电子技术研究领域的一场革命。设计人员利用计算机及其软件的强大功能，在电路模型上进行电路的性能分析和模拟实验，从而得到准确的结果，然后再付诸生产，极大地减少了实验周期和试制成本，提高了生产效率和经济效益，受到了电子生产厂家的一致欢迎。现在，电子仿真技术已成为电子工业领域不可缺少的先进技术，因此为了确保电路设计的成功，消除代价昂贵并且存在潜在危险的设计缺陷，就必须在设计流程的每个阶段进行周密地计划与评价。电路仿真给出了一个成本低、效率高的方法，能够在进入更为昂贵费时的原型开发阶段之前，找出问题所在。
理论知识：EWB与Multisim平台基本知识，Multisim在电子仿真实验中的应用。
技能训练：模拟电路电子仿真和数字电路电子仿真。
模块：电子电路仿真。
（1）知识重点：Multisim平台的使用；Multisim在电子仿真实验中的应用。（2）知识难点：Multisim软件的使用。（3）教学方式：从电子实验实例入手，学习Multisim软件的使用，在学会使用的基础上，结合电子知识，完成电子实验的仿真。（4）技能要求：用Multisim进行电子仿真的方法。
五、综合实训项目――有源多媒体音箱的设计与制作
1.知识要求
掌握模拟电子技术和数字电子技术的综合应用思路；掌握电子产品综合设计的基本思路。
2.技能要求
能进行电子电路的综合制作调试；能有条理地撰写设计说明书；能对设计项目进行总结展示。
3.教学任务
通过有源多媒体音箱的设计、制作及测试，掌握电子产品的设计流程及注意事项，学会元器件的特性测试和电路组装、测试，熟悉电子产品组装的工艺要求及生产过程。
4.教学活动设计
（1）通过让学生利用图书馆、上网等手段查阅相关资料，在教师指导下对有源多媒体音箱进行设计，掌握电子产品的设计流程及注意事项。
（2）在校内生产线的工作岗位上，根据所设计电路选择元器件，进行元器件的性能、参数测试。规划电路板，进行元器件的布局和印制电路板的制作。完成各部分电路的焊接、组装，对已经组装的电子产品进行参数测试及调试，使其达到设计要求。
（3）要求学生撰写实践报告及产品说明书。
5.相关知识
（1）理论知识。元器件的识别、测试方法；印制电路板的制作，元器件的布局；焊接工艺、电路调试方法；产品说明书的撰写。
（2）实践知识。元器件的选择、测试；印制电路板的规划和制作；元器件的焊接、组装；电路的调试及参数测试；实践测试报告的编写。
“电子技术”课程的教学改革就是以职业为导向，以提高学生就业竞争能力为目的，以市场需求为运作平台。因此应将该课程实训的内容和电子元器件及电路的研发实验、生产流程与企业结合到一起，通过校企合作，学生以一个普通职业人的身份，真正达到工学结合的课程改革。
参考文献：
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集成电路与应用篇(5)
【关键词】微电子；延伸领域；发展方向
1.引言
微电子技术是随着集成电路，尤其是大规模集成电路发展起来的一门新技术。微电子产业包括系统电路设计，器件物理，工艺技术，材料制备，自动测试及封装等一系列专门的技术的产业。微电子产业发展非常迅速，它已经渗透到了国民经济的各个领域，特别是以集成电路为关键技术的电子战和信息战都要依托于微电子产业。
微电子技术是微电子产业的核心，是在电子电路和系统的超小型化和微型化的过程中逐渐形成和发展起来的。微电子技术也是信息技术的基础和心脏，是当今发展最快的技术之一。近年来，微电子技术已经开始向相关行业渗透，形成新的研究领域。
2.微电子技术概述
2.1 认识微电子
微电子技术的发展水平已经成为衡量一个国家科技进步和综合国力的重要标志之一。因此，学习微电子，认识微电子，使用微电子，发展微电子，是信息社会发展过程中，当代大学生所渴求的一个重要课程。
生活在当代的人们，没有不使用微电子技术产品的，如人们每天随身携带的手机；工作中使用的笔记本电脑，乘坐公交、地铁的IC卡，孩子玩的智能电子玩具，在电视上欣赏从卫星上发来的电视节目等等，这些产品与设备中都有基本的微电子电路。微电子的本领很大，但你要看到它如何工作却相当难，例如有一个像我们头脑中起记忆作用的小硅片―它的名字叫存储器，是电脑的记忆部分，上面有许许多多小单元，它与神经细胞类似，这种小单元工作一次所消耗的能源只有神经元的六十分之一，再例如你手中的电话，将你的话音从空中发射出去并将对方说的话送回来告诉你，就是靠一种叫“射频微电子电路”或叫“微波单片集成电路”进行工作的。它们会将你要表达的信息发送给对方，甚至是通过通信卫星发送到地球上的任何地方。其传递的速度达到300000KM/S，即以光速进行传送，可实现双方及时通信。
“微电子”不是“微型的电子”，其完整的名字应该是“微型电子电路”，微电子技术则是微型电子电路技术。微电子技术对我们社会发展起着重要作用，是使我们的社会高速信息化，并将迅速地把人类带入高度社会化的社会。“信息经济”和“信息社会”是伴随着微电子技术发展所必然产生的。
2.2 微电子技术的基础材料――取之不尽的硅
位于元素周期表第14位的硅是微电子技术的基础材料，硅的优点是工作温度高，可达200摄氏度；二是能在高温下氧化生成二氧化硅薄膜，这种氧化硅薄膜可以用作为杂质扩散的掩护膜，从而能使扩散、光刻等工艺结合起来制成各种结构的电路，而氧化硅层又是一种很好的绝缘体，在集成电路制造中它可以作为电路互联的载体。此外，氧化硅膜还是一种很好的保护膜，它能防止器件工作时受周围环境影响而导致性能退化。第三个优点是受主和施主杂质有几乎相同的扩散系数。这就为硅器件和电路工艺的制作提供了更大的自由度。硅材料的这些优越性能促成了平面工艺的发展，简化了工艺程序，降低了制造成本，改善了可靠性，并大大提高了集成度，使超大规模集成电路得到了迅猛的发展。
2.3 集成电路的发展过程
20世纪晶体管的发明是整个微电子发展史上一个划时代的突破。从而使得电子学家们开始考虑晶体管的组合与集成问题，制成了固体电路块―集成电路。从此，集成电路迅速从小规模发展到大规模和超大规模集成电路，如图1所示。
图1 集成电路发展示意图
集成电路的分类方法很多，按领域可分为：通用集成电路和专用集成电路；按电路功能可分为：数字集成电路、模拟集成电路和数模混合集成电路；按器件结构可分为：MOS集成电路、双极型集成电路和BiIMOS集成电路；按集成电路集成度可分为：小规模集成电路SSI、中规模集成电路MSI、大规模集成电路LSI、超导规模集成电路VLSI、特大规模集成电路ULSI和巨大规模集成电路CSI。
随着微电子技术的发展，出现了集成电路（IC），集成电路是微电子学的研究对象，其正在向着高集成度、低功耗、高性能、高可靠性的方向发展。
2.4 走进人们生活的微电子
IC卡，是现代微电子技术的结晶，是硬件与软件技术的高度结合。存储IC卡也称记忆IC卡，它包括有存储器等微电路芯片而具有数据记忆存储功能。在智能IC卡中必须包括微处理器，它实际上具有微电脑功能，不但具有暂时或永久存储、读取、处理数据的能力，而且还具备其他逻辑处理能力，还具有一定的对外界环境响应、识别和判断处理能力。
IC卡在人们工作生活中无处不在，广泛应用于金融、商贸、保健、安全、通信及管理等多种方面，例如：移动电话卡，付费电视卡，公交卡，地铁卡，电子钱包，识别卡，健康卡，门禁控制卡以及购物卡等等。IC卡几乎可以替代所有类型的支付工具。
随着IC技术的成熟，IC卡的芯片已由最初的存储卡发展到逻辑加密卡装有微控制器的各种智能卡。它们的存储量也愈来愈大，运算功能越来越强，保密性也愈来愈高。在一张卡上赋予身份识别，资料（如电话号码、主要数据、密码等）存储，现金支付等功能已非难事，“手持一卡走遍天下”将会成为现实。
3.微电子技术发展的新领域
微电子技术是电子科学与技术的二级学科。电子信息科学与技术是当代最活跃，渗透力最强的高新技术。由于集成电路对各个产业的强烈渗透，使得微电子出现了一些新领域。
3.1 微机电系统
MEMS（Micro-Electro-Mechanical systems）微机电系统主要由微传感器、微执行器、信号处理电路和控制电路、通信接口和电源等部件组成，主要包括微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分，它融合多种微细加工技术，并将微电子技术和精密机械加工技术、微电子与机械融为一体的系统。是在现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。
当前，常用的制作MEMS器件的技术主要由三种：一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机械制造小机械，再利用小机械制造微机械的方法，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人，微型手术台等。第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件，它与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已成为目前MEMS的主流技术，第三种是以德国为代表的LIGA（即光刻，电铸如塑造）技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑造形成深层微结构的方法，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。
MEMS的应用领域十分广泛，在信息技术，航空航天，科学仪器和医疗方面将起到分别采用机械和电子技术所不能实现的作用。
3.2 生物芯片
生物芯片（Bio chip）将微电子技术与生物科学相结合的产物，它以生物科学基础，利用生物体、生物组织或细胞功能，在固体芯片表面构建微分析单元，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞及其他生物组分的正确、快速的检测。目前已有DNA基因检测芯片问世。如Santford和Affymetrize公司制作的DNA芯片包含有600余种DNA基本片段。其制作方法是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基本片段。采用施加电场等措施可使一些特殊物质反映出某些基因的特性从而达到检测基因的目的。以DNA芯片为代表的生物工程芯片将微电子与生物技术紧密结合，采用微电子加工技术，在指甲大小的硅片上制作包含多达20万种DNA基本片段的芯片。DNA芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化，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。生物工程芯片是21世纪微电子领域的一个热点并且具有广阔的应用前景。
3.3 纳米电子技术
在半导体领域中，利用超晶格量子阱材料的特性研制出了新一代电子器件，如：高电子迁移晶体管（HEMT），异质结双极晶体管（HBT），低阈值电流量子激光器等。
在半导体超薄层中，主要的量子效应有尺寸效应、隧道效应和干涉效应。这三种效应，已在研制新器件时得到不同程度的应用。
（1）在FET中，采用异质结构，利用电子的量子限定效应，可使施主杂质与电子空间分离，从而消除了杂质散射，获得高电子迁移率，这种晶体管，在低场下有高跨度，工作频率，进入毫米波，有极好的噪声特性。
（2）利用谐振隧道效应制成谐振隧道二极管和晶体管。用于逻辑集成电路，不仅可以减小所需晶体管数目，还有利于实现低功耗和高速化。
（3）制成新型光探测器。在量子阱内，电子可形成多个能级，利用能级间跃迁，可制成红外线探测器。
利用量子线、量子点结构作激光器的有源区，比量子阱激光器更加优越。在量子遂道中，当电子通过隧道结时，隧道势垒两侧的电位差发生变化，如果势垒的静电能量的变化比热能还大，那么就能对下一个电子隧道结起阻碍作用。基于这一原理，可制作放大器件，振荡器件或存储器件。
量子微结构大体分为微细加工和晶体生长两大类。
4.微电子技术的主要研究方向
目前微电子技术正朝着三个方向发展。第一，继续增大晶圆尺寸并缩小特征尺寸。第二，集成电路向系统芯片（system on chip，SOC）方向发展。第三，微电子技术与其他领域相结合将产生新产业和新学科，如微机电系统和生物芯片。随着微电子学与其他学科的交叉日趋深入，相关的新现象，新材料，新器件的探索日益增加，光子集成如光电子集成技术也不断发展，这些研究的不断深入，彼此间的交叉融合，将是未来的研究方向。
参考文献
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集成电路与应用篇(6)
集成电路(IntegratedCircuit)产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1_4]
一、集成电路版图设计软件平台
为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学(以下简称"我校”从2005年起借助于大学计划。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计 、 ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。56]
集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制(fullcustom)、半定制(Semi-custom)和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计,涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。
在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统(ZeniEDASystem),这是中国唯1的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。
九天EDA软件系统包括设计管理器，原理图编辑器，版图编辑工具，版图验证工具，层次版图设计规则检查工具，寄生参数提取工具，信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。
二、集成电路版图设计的教学目标
根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。
在集成电路版图设计的教学中，首先对集成电路设计的_些相关知识进行回顾，介绍版图设计的基础知识，如集成电路设计流程，CMOS基本工艺过程，版图的基本概念，版图的相关物理知识及物理结构，版图设计的基本流程，版图的总体设计，布局规划以及标准单元的版图设计等。然后结合上机实验，讲解Unix和Linux操作系统的常用命令，详细阐述基于标准单元库的版图设计流程，指导学生使用ZeniSE绘制电路原理图，使用ZeniPDT进行NMOS/PMOS以及反相器的简单版图设计。在此基础上，让学生自主选择_些较为复杂的单元电路进行设计，如数据选择器、MOS差分放大器电路、二四译码器、基本RS触发器、六管MOS静态存储单元等，使学生能深入理解集成电路版图设计的概念原理和设计方法。最后介绍版图验证的基本思想及实现，包括设计规则的检查(DRC),电路参数的检查(ERC),网表一致性检查(LVS),指导学生使用ZeniVERI等工具进行版图验证、查错和修改。7]
集成电路版图设计的教学目标是：
第熟练掌握华大EDA软件的原理图编辑器ZeniSE、版图编辑模块ZeniPDT以及版图验证模块ZeniVER丨等工具的使用;了解工艺库的概念以及工艺库文件technology的设置，能识别基本单元的版图，根据版图信息初步提取出相应的逻辑图并修改，利用EDA工具ZSE画出电路图并说明其功能，能够根据版图提取单元电路的原理图。
第二，能够编写设计版图验证命令文件(commandfile)。版图验证需要四个文件(DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件)来支持，要求学生能够利用ZeniVER丨进行设计规则检查DRC验证并修改版图、电学规则检查(ERC)、版图网表提取(NE)、利用LDC工具进行LVS验证，利用LDX工具进行LVS的查错及修改等。
第三，能够基本读懂和理解版图设计规则文件的含义。版图设计规则规定了集成电路生产中可以接受的几何尺寸要求和可以达到的电学性能，这些规则是电路设计师和工艺工程师之间的_种互相制约的联系手段，版图设计规则的目的是使集成电路设计规范化，并在取得最佳成品率和确保电路可靠性的前提下利用这些规则使版图面积尽可能做到最小。
第四，了解版图库的概念。采用半定制标准单元方式设计版图，需要有统一高度的基本电路单元版图的版图库来支持，这些基本单元可以是不同类型的各种门电路，也可以是触发器、全加器、寄存器等功能电路，因此，理解并学会版图库的建立也是版图设计教学的一个重要内容。
三、CMOS反相器的版图设计的教学实例介绍
下面以一个标准CMOS反相器来简单介绍一下集成电路版图设计的一般流程。
1.内容和要求
根据CMOS反相器的原理图和剖面图，初步确定其版图;使用EDA工具PDT打开版图编辑器;在版图编辑器上依次画出P管和N管的有源区、多晶硅及接触孔等;完成必要的连线并标注输入输出端。
2.设计步骤
根据CMOS反相器的原理图和剖面图，在草稿纸上初步确定其版图结构及构成;打开终端，进入pdt文件夹，键入pdt,进入ZeniPDT版图编辑器;读懂版图的层次定义的文件，确定不同层次颜色的对应，熟悉版图编辑器各个命令及其快捷键的使用;在版图编辑器上初步画出反相器的P管和N管;检查画出的P管和N管的正确性，并作必要的修改，然后按照原理图上的连接关系作相应的连线，最后检查修改整个版图。
3.版图验证
打开终端，进入zse文件夹，键入zse,进入ZeniSE原理图编辑器，正确画出CMOS反相器的原理图并导出其网表文件;调出版图设计的设计规则文件，阅读和理解其基本语句的含义，对其作相应的路径和文件名的修改以满足物理验证的要求;打开终端，进入pdt文件夹，键入pdt，进入ZeniPDT版图编辑器，调出CMOS反相器的版图，在线进行DRC验证并修改版图;对网表一致性检查文件进行路径和文件名的修改，利用LDC工具进行LVS验证;如果LVS验证有错，贝懦要调用LDX工具，对版图上的错误进行修改。
4.设计提示
要很好的理解版图设计的过程和意义，应对MOS结构有一个深刻的认识;需要对器件做衬底接触，版图实现上衬底接触直接做在电源线上;接触孔的大小应该是一致的，在不违反设计规则的前提下,接触孔应尽可能的多，金属的宽度应尽可能宽;绘制图形时可以多使用〃复制"操作，这样可以大大缩小工作量，且设计的图形满足要求并且精确;注意P管和N管有源区的大小，一般在版图设计上，P管和N管大小之比是2:1;注意整个版图的整体尺寸的合理分配，不要太大也不要太小;注意不同的层次之间应该保持一定的距离，层次本身的宽度的大小要适当，以满足设计规则的要求。四、基本MOS差分放大器版图设计的设计实例介绍在基本MOS差分放大器的版图设计中，要求学生理解构成差分式输入结构的原理和组成结构，画出相应的电路原理图，进行ERC检查，然后根据电路原理图用PDT工具上绘制与之对应的版图。当将基本的版图绘制好之后，对版图里的输入、输出端口以及电源线和地线进行标注，然后利用几何设计规则文件进行在线DRC验证，利用版图与电路图的网表文件进行LVS检查，修改其中的错误并优化版图，最后全部通过检查，设计完成。
五、结束语
集成电路版图设计的教学环节使学生巩固了集成电路设计方面的理论知识，提高了学生在集成电路设计过程中分析问题和解决问题的能力，为今后的职业生涯和研究工作打下坚实的基础。因此，在今后的教学改革工作中，除了要继续提高教师的理论教学水平外，还必须高度重视以EDA工具和设计流程为核心的实践教学环节，努力把课堂教学和实际设计应用紧密结合在一起，培养学生的实际设计能力，开阔学生的视野，在实验项目和实验内容上进行新的探索和实践。
参考文献：
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集成电路与应用篇(7)
MIC总线控制器远程模块的前端综合设计
基于Astro的MIC总线控制器专用集成电路后端设计
MIC总线控制器专用集成电路的测试设计
论制约MCM技术发展的三个关键问题
一种轨至轨CMOS运算放大器的设计
几种可控硅的触发电路
国内首创低成本纯度99.9999%多晶硅
厚膜HIC电容粘接工艺研究
混合集成电路故障分析方法浅析
电子设备的屏蔽设计
SoC设计中的低功耗技术
一种高效率TEC温度控制器的设计
一种低噪声、宽动态范围I/F转换器的设计
混合有源电力滤波器分析及应用探讨
浅谈状态机的设计方法及应用
微机械陀螺仪版图与工艺设计
CrSi薄膜电阻制作工艺
LTCC半切割基板制作技术研究
MCM-C耐高过载试验研究
CCD图像传感器在军用武器装备中的应用
改善SOICMOS集成电路高温性能的研究
一种非挥发性MNOS器件的制作
非硅MEMS聚酰亚胺牺牲层技术研究
知识信息窗
X5045电路及其应用
单片机系统硬件抗干扰常用方法
浅析正弦振荡器的原理和制作
基于ASL1000自动测试系统的电路测试设计
MCM-C耐高过载试验研究
OLED技术及其国内外发展状况
《集成电路通讯》2006年总目次
MCM-C和HIC的元器件安装工艺技术
厚膜电位器膜层质量控制研究
印刷电路板的基本设计方法及在高频电路中的布线技巧
双通道USB/AC适配器电池充电器IC
虚拟仪器在自动测试领域中的应用
一种模拟开关电路测试台设计与制作
芯片测试中外接引线对电路频率特性的影响
同步MODEM中接收时钟和数据的提取及ADPLL设计
开关磁阻电机调速控制技术研究
PDM系统批量数据导入方法
世界上最小的单门逻辑控制器件集成电路
波长可调谐DFB激光器及其进展
三相全桥单芯片变换器集成电路TPD4104K
CCD图像传感器在军用武器装备中的应用
厚膜HIC共晶焊工艺研究
金锡焊料低温焊料焊工艺控制
用硅作系统级封装的衬底基片的进展
LTCC版图数据输出与CAM制作
集成电路(IC)中电阻的设计
一种高精度反激式DC/DC电源的设计
电气测试中地线干扰及接地设计
AT89S51的串行编程及其对串行EEPROM的读写
正交试验法在LTCC丝网印刷中的应用
电动机适用的驱动集成电路
产品数据管理系统的应用
企业成功实施ERP系统的关键因素
