發(fā)布時(shí)間：2023-04-06 18:40:05
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的微電子學(xué)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
ICICS 2013將為國(guó)內(nèi)外信息安全學(xué)者與專家齊聚一堂，提供探討國(guó)際信息安全前沿技術(shù)的難得機(jī)會(huì)。作為國(guó)際公認(rèn)的第一流國(guó)際會(huì)議，ICICS 2013將進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流，促進(jìn)我國(guó)信息安全學(xué)科的發(fā)展。本次學(xué)術(shù)會(huì)議將由中國(guó)科學(xué)院軟件研究所、北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所信息安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主辦，并得到國(guó)家自然基金委員會(huì)的大力支持。
會(huì)議論文集均由德國(guó)Springer出版社作為L(zhǎng)NCS系列出版。ICICS2013歡迎來自全世界所有未發(fā)表過和未投遞過的原始論文，內(nèi)容包括訪問控制、計(jì)算機(jī)病毒與蠕蟲對(duì)抗、認(rèn)證與授權(quán)、應(yīng)用密碼學(xué)、生物安全、數(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)庫安全、分布式系統(tǒng)安全、電子商務(wù)安全、欺騙控制、網(wǎng)格安全、信息隱藏與水印、知識(shí)版權(quán)保護(hù)、入侵檢測(cè)、密鑰管理與密鑰恢復(fù)、基于語言的安全性、操作系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與安全認(rèn)證、云安全、無線安全、安全模型、安全協(xié)議、可信計(jì)算、可信賴計(jì)算、智能電話安全、計(jì)算機(jī)取證等，但又不局限于此內(nèi)容。
作者提交的論文，必須是未經(jīng)發(fā)表或未并行地提交給其他學(xué)術(shù)會(huì)議或?qū)W報(bào)的原始論文。所有提交的論文都必須是匿名的，沒有作者名字、單位名稱、致謝或其他明顯透露身份的內(nèi)容。論文必須用英文，并以 PDF 或 PS 格式以電子方式提交。排版的字體大小為11pt，并且論文不能超過12頁（A4紙）。所有提交的論文必須在無附錄的情形下是可理解的，因?yàn)椴灰蟪绦蛭瘑T閱讀論文的附錄。如果提交的論文未遵守上述投稿須知，論文作者將自己承擔(dān)論文未通過形式審查而拒絕接受論文的風(fēng)險(xiǎn)。審稿將由3位程序委員匿名評(píng)審，評(píng)審結(jié)果為：以論文形式接受；以短文形式接受；拒絕接受。
ICICS2013會(huì)議論文集可在會(huì)議其間獲取。凡接受論文的作者中，至少有1位必須參加會(huì)議，并在會(huì)議上報(bào)告論文成果。
投稿截止時(shí)間：2013年6月5日 通知接受時(shí)間：2013年7月24日 發(fā)表稿提交截止時(shí)間：2013年8月14日
會(huì)議主席：林東岱 中國(guó)科學(xué)院信息工程研究所 研究員
程序委員會(huì)主席：卿斯?jié)h 中國(guó)科學(xué)院軟件研究所、北京大學(xué)軟件與微電子學(xué)院 教授
Jianying ZHOU博士 Institute for Infocomm Research，新加坡
程序委員會(huì)：由國(guó)際和國(guó)內(nèi)知名學(xué)者組成（參看網(wǎng)站 http：//icsd.i2r.a-star.edu.sg/icics2013/）
英文名稱：System Simulation Technology
主管單位：中華人民共和國(guó)教育部
主辦單位：同濟(jì)大學(xué)
出版周期：季刊
出版地址：上海市
語
種：中文
開
本：大16開
國(guó)際刊號(hào)：1673-1964
國(guó)內(nèi)刊號(hào)：31-1945/TP
郵發(fā)代號(hào)：
發(fā)行范圍：國(guó)內(nèi)外統(tǒng)一發(fā)行
創(chuàng)刊時(shí)間：2005
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2013年，美國(guó)IEEE電子器件青年科學(xué)家獎(jiǎng)（IEEE EDS Early Career Award）公布獲獎(jiǎng)名單，一位中國(guó)青年學(xué)者的名字出現(xiàn)在其中，他就是北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授王潤(rùn)聲。
IEEE（電氣電子工程師協(xié)會(huì)）有五十多年歷史。多年來，該協(xié)會(huì)一直致力于推動(dòng)電子和信息技術(shù)在理論發(fā)展和應(yīng)用方面的進(jìn)步，它被認(rèn)為是科技革新的催化劑，也是太空、計(jì)算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)、電氣及電子工程領(lǐng)域的權(quán)威組織。
經(jīng)過了推薦、提名、網(wǎng)評(píng)、專家討論等考核環(huán)節(jié)后，王潤(rùn)聲成為IEEE該獎(jiǎng)項(xiàng)歷史上首位來自非美國(guó)機(jī)構(gòu)的獲獎(jiǎng)?wù)??！皩W(xué)校和實(shí)驗(yàn)室的平臺(tái)好，加上近期國(guó)家對(duì)科研項(xiàng)目的支持力度很大，甚至一些美國(guó)同行也都羨慕我們。”王潤(rùn)聲說，“只要平臺(tái)是良性發(fā)展的、機(jī)制是不斷完善的，換作其他科學(xué)家，也一樣能取得成果、獲得獎(jiǎng)勵(lì)?！?/p>
在王潤(rùn)聲尚年輕的學(xué)術(shù)生涯中，IEEE電子器件青年科學(xué)家獎(jiǎng)是重要節(jié)點(diǎn)，直接促使他在半導(dǎo)體新器件研究領(lǐng)域的地位更加令人關(guān)注。對(duì)于這個(gè)風(fēng)華正茂的年輕學(xué)者來說，一場(chǎng)在晶體管研究領(lǐng)域的漫長(zhǎng)巡禮才剛剛開始。
北大人的成長(zhǎng)
王潤(rùn)聲是北大“土著”，從小成績(jī)優(yōu)秀，是令人艷羨的“別人家的孩子”。起初，王潤(rùn)聲的興趣是物理學(xué)，但當(dāng)年北大物理系在安徽不招收高考生，考慮到當(dāng)時(shí)物理系與微電子系有部分課程交叉共享，王潤(rùn)聲因此認(rèn)為，由微電子專業(yè)轉(zhuǎn)向物理專業(yè)應(yīng)該“比較容易”。憑借這個(gè)樸素的判斷，王潤(rùn)聲憧憬著一個(gè)物理學(xué)家的夢(mèng)，成了北京大學(xué)2001級(jí)微電子專業(yè)的學(xué)生。然而，此后一直到他讀博乃至后來成為北大老師，他卻都沒有再換專業(yè)，反倒在微電子的路上越走越遠(yuǎn)。
王潤(rùn)聲是他這一代青年科學(xué)家成長(zhǎng)之路的典型代表：少了許多國(guó)家計(jì)劃層面的約束，基本可以輕松自由地選擇發(fā)展方向。他聰明，興趣廣，喜歡對(duì)新鮮事物躍躍欲試。在北大，他擔(dān)任了一年的乒乓球協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，后來又加入了學(xué)校網(wǎng)球隊(duì)。這時(shí)，王潤(rùn)聲常常思考的問題是，“我的專業(yè)究竟有什么用？未來有什么發(fā)展？”那是青年學(xué)子一個(gè)迷茫善變的階段，他的目標(biāo)不再局限于轉(zhuǎn)戰(zhàn)物理專業(yè)，還專門用了大半年時(shí)間跑到中文系聽課，甚至還打算考到中文系讀研。他困惑于選擇，思考一條最適合自己的專業(yè)之路。
回憶起那段日子，王潤(rùn)聲說，人之所以對(duì)一件事情感興趣，也許是因?yàn)椴挥妹鎸?duì)任何壓力，可以自由地做，因?yàn)槟悴槐匾蕾囘@些有創(chuàng)造性的業(yè)余愛好來謀生。但是，如果把興趣變成工作，你的愛好受到了物質(zhì)刺激，也許會(huì)發(fā)現(xiàn)自己逐漸不那么喜歡做這些事了。愛好也不再是用來放松頭腦的富有創(chuàng)造性的追求，它變成了養(yǎng)家糊口的工具。而這些壓力最終會(huì)充滿抱怨與不滿，最后你會(huì)發(fā)現(xiàn)自己不但沒有工作好，還失去了一個(gè)愛好。正如麥克勞德告誡我們的：不要把自己在閑暇時(shí)的消遣變成從早八點(diǎn)到晚五點(diǎn)要做的正常工作。經(jīng)過一番深思熟慮，王潤(rùn)聲徹底打消了轉(zhuǎn)專業(yè)的念頭，繼續(xù)學(xué)習(xí)微電子學(xué)。
2005年，王潤(rùn)聲獲推免資格，成為北大微電子專業(yè)碩士生。王潤(rùn)聲的導(dǎo)師、時(shí)任系主任的黃如教授是微納電子學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威學(xué)者。在她的影響和指導(dǎo)下，王潤(rùn)聲開啟了一段全新的科研之旅。不久后，他的論文先后在學(xué)科頂級(jí)期刊TED和頂級(jí)會(huì)議IEDM上發(fā)表，當(dāng)時(shí)這在學(xué)生中尚屬罕見。黃如發(fā)現(xiàn)了他的天賦和科研潛力，著意栽培他;于是，王潤(rùn)聲選擇繼續(xù)攻讀微電子學(xué)與固體電子學(xué)的博士學(xué)位。
2008年，國(guó)家通過教育部“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生計(jì)劃”向國(guó)外輸送第二批公派研究生，王潤(rùn)聲也是其中的一員。他訪問的是美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）電子與計(jì)算機(jī)工程（ECE）學(xué)院。普渡大學(xué)的微電子專業(yè)在全美排名靠前，并且很早就與北京大學(xué)建立了交流關(guān)系?！拔沂菄?guó)內(nèi)培養(yǎng)的‘土鱉’，但在美國(guó)，我發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)微電子領(lǐng)域研究條件其實(shí)不錯(cuò);與國(guó)外同行相比，發(fā)現(xiàn)自己的專業(yè)水平也不錯(cuò)。這說明我們國(guó)家自己培養(yǎng)的科研人員并不比別人差，因此我對(duì)自己更有信心了。”王潤(rùn)聲說。
因?yàn)樾南祰?guó)內(nèi)未完成的研究項(xiàng)目，王潤(rùn)聲在普渡大學(xué)訪問一年后回到北大，于2010年4月師從王陽元院士進(jìn)入博士后流動(dòng)站深造，并得到了中國(guó)博士后基金的特別資助。2012年3月，王潤(rùn)聲被聘為北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院講師。至此，他由一名北大學(xué)生變成了北大的老師，成為一名“徹底”的北大人。
瓶頸與變革
王潤(rùn)聲認(rèn)為，微電子學(xué)科發(fā)展正處于瓶頸期。最突出的表現(xiàn)是，不論個(gè)人電腦、移動(dòng)通信，還是智能手機(jī)，制造商都在拼功耗，因?yàn)楣氖悄壳白畲蟮碾y題?！笆裁磿r(shí)候一塊手機(jī)電池能用一周？”王潤(rùn)聲最大的愿望，就是在晶體管器件層面創(chuàng)新，做出更好的晶體管?！爱a(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展不能停滯，否則就變成了傳統(tǒng)行業(yè)。”
“瓶頸就意味著新的變革即將產(chǎn)生?！蓖鯘?rùn)聲的主要工作是新型晶體管研究，這需要同時(shí)透徹了解電子學(xué)和物理學(xué)，并且及時(shí)跟進(jìn)行業(yè)前沿最新成果。近年來，以英特爾、IBM、臺(tái)積電等巨頭為代表的微納電子新技術(shù)在行業(yè)內(nèi)持續(xù)，產(chǎn)品功耗不斷降低。“對(duì)未來，5年后、10年后的技術(shù)，該如何設(shè)計(jì)、如何制作，如何在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)新？這是我們思考的主要問題?！蓖鯘?rùn)聲說。
2014年，王潤(rùn)聲的“新型低功耗多柵MOS器件的實(shí)驗(yàn)與理論研究”獲2014年教育部高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)獎(jiǎng)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，個(gè)人排名第二。這是一項(xiàng)適用于未來集成電路技術(shù)的研究，揭示了納米尺度多柵器件中的系列特殊物理現(xiàn)象及根源，提出了新的實(shí)驗(yàn)與特性表征方法，并延拓了低功耗應(yīng)用能力，得到了國(guó)際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。
根據(jù)王潤(rùn)聲介紹，在技術(shù)層面降低晶體管的功耗，主要有三個(gè)方面的變革：一是做新的器件結(jié)構(gòu)，二是用更合適的材料替換原有材料，三是改變其工作原理。王潤(rùn)聲從本科畢業(yè)論文即開始針對(duì)新結(jié)構(gòu)器件展開研究。他告訴記者，這方面最有代表性的一項(xiàng)成果是從英特爾22納米技術(shù)代的CPU芯片開始采用的三維晶體管，業(yè)內(nèi)叫做FinFET，外形像魚鰭（Fin）一樣，所以叫作鰭式晶體管;這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的靜電學(xué)控制能力，從而功耗很低。新材料方面，從英特爾45納米技術(shù)代開始，業(yè)界采用氧化鉿取代了傳統(tǒng)的氧化硅作為柵極絕緣介質(zhì)材料，從而大大降低了柵極泄漏電流產(chǎn)生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力學(xué)隧穿原理改進(jìn)原有晶體管的開關(guān)機(jī)制，以期從物理本質(zhì)上進(jìn)一步降低器件功耗。
后摩爾時(shí)代的創(chuàng)新
晶體管在傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，遵循著名的“摩爾定律”不斷地等比例縮小以提高集成度，但如前所述，現(xiàn)在已經(jīng)遇到了發(fā)展瓶頸。在后摩爾時(shí)代，除了傳統(tǒng)的應(yīng)用，晶體管還可以在物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、生物醫(yī)療（比如可穿戴和可植入的芯片）等新應(yīng)用中大展身手。在后摩爾時(shí)代，晶體管該如何創(chuàng)新、如何發(fā)展、如何提高性價(jià)比？王潤(rùn)聲同黃如教授等組成的團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述問題做技術(shù)研究，并有中芯國(guó)際等多個(gè)大型企業(yè)作為合作對(duì)象。“產(chǎn)業(yè)應(yīng)用是我們的最終目的?！蓖鯘?rùn)聲說，信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)的基石，它的出現(xiàn)使電子設(shè)備向著微型化、智能化、高性能和低功耗的方向發(fā)展。
像多數(shù)科學(xué)家一樣，王潤(rùn)聲也時(shí)常陷入困境。比如“有時(shí)會(huì)陷入一個(gè)問題，不停地繞圈”，他的經(jīng)驗(yàn)是，這時(shí)不能輕易放棄，堅(jiān)持下去才會(huì)有突破?！熬拖翊蚱古仪颉！彼f：“有的時(shí)候，某一階段練球會(huì)覺得不僅進(jìn)步緩慢、甚至還有退步，這種情況往往表明是快要‘長(zhǎng)球’了，再堅(jiān)持一下水平就會(huì)有明顯提高?！?/p>
關(guān)鍵詞：研究性學(xué)習(xí)；半導(dǎo)體物理；微電子技術(shù)；教學(xué)
微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的越來越廣泛，已經(jīng)應(yīng)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域。隨著半導(dǎo)體、集成電路技術(shù)的發(fā)展的越來越快，繼續(xù)研究半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論是非常重要的。目前,大多數(shù)高校工科學(xué)生現(xiàn)在都重視做實(shí)驗(yàn)而忽視了理論的發(fā)展,而對(duì)于微電子學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說,是重視電路的設(shè)計(jì)而忽視了半導(dǎo)體的發(fā)展，所以，學(xué)生學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理的積極性并不高,這與教學(xué)課程設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系，教學(xué)中理論聯(lián)系實(shí)際缺乏，教學(xué)方法單一等都是造成學(xué)生積極性不高的原因。而半導(dǎo)體物理是微電子學(xué)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要內(nèi)容包括能帶的概念、本證光譜和能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)電子態(tài)、載流子運(yùn)輸、半導(dǎo)體表面和界面、非晶態(tài)半導(dǎo)體、非平衡載流子和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等基本概念和理論，這些知識(shí)為學(xué)生后面進(jìn)行相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體物理的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課上開展諸如半導(dǎo)體電阻率、非平衡少數(shù)載流子壽命、電容電壓特性和霍爾遷移率測(cè)量等簡(jiǎn)單的測(cè)試性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)的操作和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過于簡(jiǎn)單化，而且，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)安排不妥，學(xué)生往往用不到一半的時(shí)間就可以完成全部?jī)?nèi)容，所以，實(shí)際上，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中收獲的并不是很多。綜上所述，在半導(dǎo)體物理的教學(xué)過程中還存在一些不足需要改進(jìn)，內(nèi)容如下:（一）基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固。半導(dǎo)體物理涉及的內(nèi)容包括固體物理、量子力學(xué)等多門學(xué)科。這樣學(xué)生所學(xué)知識(shí)點(diǎn)變得更多，頭緒不清，不知道什么是重點(diǎn)，對(duì)基本概念的理解更是不清不楚，且不能將所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通。（二）教材上的內(nèi)容不能隨發(fā)展而變。也就是說教材的教學(xué)內(nèi)容更新已經(jīng)跟不上半導(dǎo)體相關(guān)科學(xué)知識(shí)的飛速發(fā)展。因?yàn)榘雽?dǎo)體學(xué)科領(lǐng)域極速發(fā)展,不斷涌現(xiàn)新理論和新成果。（三）教學(xué)枯燥無味。只靠教師口述教學(xué)內(nèi)容會(huì)讓學(xué)生感覺內(nèi)容枯燥、缺乏學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)內(nèi)容抽象化學(xué)生被強(qiáng)加灌輸知識(shí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)方面缺乏主動(dòng)性和創(chuàng)造性。（四）學(xué)生自主學(xué)習(xí)主管能動(dòng)性差?，F(xiàn)在的教學(xué)模式顯得被動(dòng)、單一，這樣的教學(xué)模式只會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)探索的能力差。（五）學(xué)生動(dòng)手能力差。實(shí)驗(yàn)課的設(shè)置較少，學(xué)生動(dòng)手的機(jī)會(huì)也就少了，導(dǎo)致學(xué)生缺乏創(chuàng)新精神。半導(dǎo)體物理的學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，但目前開展的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)固化，感覺不到學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的融入，不僅無法引起學(xué)生學(xué)習(xí)理論課的興趣，也無法達(dá)到訓(xùn)練學(xué)生創(chuàng)新性的目的。我們探索并實(shí)踐了將研究性學(xué)習(xí)思想引入到半導(dǎo)體物理的教學(xué)活動(dòng)中[1]，重視主體性和創(chuàng)造性價(jià)值的培養(yǎng)。以此方式來解決目前半導(dǎo)體物理教學(xué)中存在的這些問題，具體的改革如下：
一教師教學(xué)觀念的轉(zhuǎn)變是實(shí)施研究性學(xué)習(xí)的前提
半導(dǎo)體物理的特點(diǎn)是概念多，理論多，物理模型抽象，不易理解，在課本上上學(xué)習(xí)，學(xué)生會(huì)感到內(nèi)容枯燥，缺少直觀性和形象性，學(xué)習(xí)起來比較困難。因此，教師想盡其所能改變傳統(tǒng)的教育方式，在教學(xué)中進(jìn)行專題講座、分組討論、充分利用PPT，flash等多媒體軟件，安排學(xué)生針對(duì)具體研究問題進(jìn)行研究實(shí)踐等教學(xué)形式，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，改變學(xué)習(xí)方式和狀態(tài)，把學(xué)生置于學(xué)習(xí)的主體地位，創(chuàng)設(shè)使學(xué)生主動(dòng)參與的教學(xué)情景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[2]。
二加強(qiáng)課程建設(shè)，根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)及科技發(fā)展的需要
合理的安排教學(xué)內(nèi)容，講課內(nèi)容做到豐富、全面，知識(shí)點(diǎn)講解透徹，同時(shí)了解行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)半導(dǎo)體物理學(xué)教材采用劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》第七版，結(jié)合我校微電子學(xué)專業(yè)的具體情況，我們對(duì)該書的課內(nèi)精講教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了整合。首先把握好整體知識(shí)結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上突出教學(xué)重點(diǎn)。（一）首先做好先修知識(shí)的銜接半導(dǎo)體前五章為理論基礎(chǔ)的部分，主要講述了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)，雜質(zhì)和能級(jí)缺陷，載流子的統(tǒng)計(jì)分布，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與非平衡載流子，在此基礎(chǔ)上闡述了電子的有效質(zhì)量，費(fèi)米能級(jí)，遷移率，非平衡載流子壽命等基本概念。第一章和第四章的知識(shí)點(diǎn)包括晶體結(jié)構(gòu)、晶面、晶向、晶格振動(dòng)、能帶理論等，講授新課之前將涉及到的知識(shí)點(diǎn)讓學(xué)生課下進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。如果有不理解的內(nèi)容可通過課下答疑的方式進(jìn)行輔導(dǎo)。（二）重要的知識(shí)要精細(xì)解讀教師在課堂授課的時(shí)候要明確本次課程學(xué)習(xí)的主線，在主線中穿插重要的概念和主要知識(shí)點(diǎn)，復(fù)雜公式詳細(xì)的推導(dǎo)過程被弱化，力求想法清楚、定義明確、難點(diǎn)清晰。比如在教師教授第三章的課程時(shí)，學(xué)習(xí)載流子濃度，應(yīng)該讓學(xué)生清楚的明白要先計(jì)算的是狀態(tài)密度，然后再計(jì)算費(fèi)米分布函數(shù)或者玻爾茲曼函數(shù)，最后計(jì)算出平衡時(shí)的空穴和電子的濃度。（三）最新的知識(shí)擴(kuò)充因?yàn)榉浅Ｑ杆侔l(fā)展的現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，以及不斷拓展的技術(shù)研究方向，半導(dǎo)體領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)更新也很快，因此，與時(shí)俱進(jìn)是教師應(yīng)該做到的，時(shí)刻關(guān)注研究熱點(diǎn)與科技前沿，更要將教學(xué)內(nèi)容合理安排。對(duì)于本書中的第七章、第九章和第十章書本上的知識(shí)點(diǎn)不過多講解，只做基礎(chǔ)的介紹即可，主要講解基本理論和基本概念，比較難的內(nèi)容只做一般性的了解。教師要合理取舍教學(xué)內(nèi)容，與其他課程的重疊內(nèi)容要壓縮，更要將教材中的陳舊知識(shí)刪除。（四）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方式的轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)動(dòng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性，增加難度，我們將工藝實(shí)驗(yàn)中得到的產(chǎn)品用到測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，既能夠驗(yàn)證工藝實(shí)驗(yàn)的成果，也能夠分析更多的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，達(dá)到將理論課和實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容更好結(jié)合的目的，還能鍛煉學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理的能力。在實(shí)驗(yàn)方面也進(jìn)行了研究性學(xué)習(xí)的探索，努力引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性實(shí)驗(yàn)。
三引入研究性學(xué)習(xí)思想，培養(yǎng)學(xué)生文獻(xiàn)調(diào)研能力
網(wǎng)絡(luò)是知識(shí)的海洋，讓學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理相關(guān)資料提高自主學(xué)習(xí)性以及運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行自主創(chuàng)新的能力是非常重要的。把學(xué)生被動(dòng)式學(xué)習(xí)的模式轉(zhuǎn)化為以學(xué)生為主導(dǎo)的教學(xué)方式，讓學(xué)生融入所設(shè)問題的情景中，引出科研中遇到的問題，并對(duì)某些問題進(jìn)行討論。在文獻(xiàn)調(diào)研的過程中，讓學(xué)生充分、及時(shí)地了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)動(dòng)態(tài)，學(xué)會(huì)“詳讀”和“粗讀”文獻(xiàn)，多多積累文獻(xiàn)中涉及到半導(dǎo)體物理的知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。讀過文獻(xiàn)后要做出相應(yīng)的總結(jié)匯報(bào)，可以以PPT的形式給出，方便其他人對(duì)文獻(xiàn)的理解，學(xué)生也可以嘗試到作為一名老師的感覺。這樣師生互換角色，在教師的引導(dǎo)下使學(xué)生成為富有主動(dòng)性的探究與學(xué)習(xí)者。四將科研融入到教學(xué)中把科研和教學(xué)結(jié)合起來，讓學(xué)生明白自己學(xué)習(xí)的知識(shí)可以具體應(yīng)用到生產(chǎn)生活的哪些方面。我們可以做的有：（1）針對(duì)課堂教學(xué)中講到的半導(dǎo)體中的物理現(xiàn)象或者概念應(yīng)用到某一個(gè)器件的制造中，激勵(lì)學(xué)生通過課程設(shè)計(jì)過程的方式參與到學(xué)院老師的項(xiàng)目中，通過具體的研究工作，將研究結(jié)果撰寫成研究論文。（2）將已取得的科研成果作為新的教學(xué)內(nèi)容，充實(shí)到教學(xué)中去，使課堂上所講的知識(shí)和我們實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)、生活聯(lián)系起來，遠(yuǎn)離以往單一、抽象、枯燥的教學(xué)，使學(xué)生帶著問題來學(xué)習(xí)新知識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生參與真實(shí)科研項(xiàng)目的研究。以這兩種方式提高學(xué)生了解問題、剖析問題的能力，讓學(xué)生積極參與其中，把抽象的東西實(shí)物化，教學(xué)效果非常明顯。綜上所述，我們將以更新教學(xué)內(nèi)容、改變教學(xué)觀念、注重實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神為目的進(jìn)行半導(dǎo)體物理的課程改革來解決教學(xué)過程中存在的一些問題。
作者:王月 李雪 張經(jīng)慧 單位:渤海大學(xué)
參考文獻(xiàn)
[1]喻思紅，范湘紅，趙小紅.研究性學(xué)習(xí)教學(xué)模式在課堂教學(xué)中的實(shí)踐及評(píng)價(jià)[J].中華護(hù)理雜志，2005，40(5):380-382.
[2]范秉琳，楊志軍，袁建梅，等.“研究型學(xué)習(xí)”教學(xué)模式在分析化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育，2014，(6):62-63.
“十一五”開局之年，我國(guó)科技發(fā)展取得了許多標(biāo)志性成果：2006年7月1日，世界上海拔最高、線路最長(zhǎng)的高原鐵路――青藏鐵路全線貫通、 2006年度國(guó)家科技獎(jiǎng)迎來了多年難得一見的“滿堂彩”…… 這一切都預(yù)示著我國(guó)科技工作在建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家宏偉戰(zhàn)略的指導(dǎo)下又開始了一輪嶄新的跨越。
然而，在我國(guó)科技事業(yè)迅猛發(fā)展的主旋律下，依然跳動(dòng)著與“基本面”不相和諧的音符：2006年5月12日，上海交通大學(xué)通報(bào)，該校微電子學(xué)院院長(zhǎng)陳進(jìn)在負(fù)責(zé)研制“漢芯”系列芯片過程中存在嚴(yán)重的造假和欺騙行為。雖然陳進(jìn)被解職，項(xiàng)目被終止，經(jīng)費(fèi)被追繳，但“漢芯”作為科研不端的標(biāo)志性事件，已經(jīng)被永遠(yuǎn)釘在了科學(xué)殿堂的恥辱柱上！
更令人擔(dān)憂的是，在我國(guó)科技界，大大小小的“陳進(jìn)”事件并不少見。在這些事件的主角中，夸大成果、過度“包裝”者有之，抄襲剽竊、占有他人成果者有之，編造數(shù)據(jù)，欺世盜名者有之。他們的這些行為不僅嚴(yán)重?fù)p害了我國(guó)科技界的聲譽(yù)，還破壞了我國(guó)的自主創(chuàng)新環(huán)境，影響了科技事業(yè)的正常發(fā)展。
誠(chéng)然，科研不端是一個(gè)世界性的問題，并不只是中國(guó)的“專利”。 據(jù)介紹，美國(guó)衛(wèi)生與公共服務(wù)部所屬的研究誠(chéng)信辦公室，在1994～2003年的十年間，共收到1777個(gè)有關(guān)學(xué)術(shù)誠(chéng)信方面的舉報(bào)，僅2004年全年就收到了267個(gè)。2005年，曾被尊為韓國(guó)“民族英雄”兼“首席科學(xué)家”的黃禹錫，被韓國(guó)首爾大學(xué)調(diào)查委員會(huì)認(rèn)定科研作假，其2005年刊于美國(guó)《科學(xué)》雜志上的論文所指11個(gè)克隆胚胎干細(xì)胞系中，至少9個(gè)是偽造。
在當(dāng)代“大科學(xué)”的背景下，科學(xué)研究不再是一個(gè)封閉的主觀事業(yè)，需要面對(duì)相對(duì)復(fù)雜的社會(huì)環(huán)境，因此，存在科研不端行為并不值得大驚小怪，關(guān)鍵是我們要敢于面對(duì)事實(shí)，要了解行為背后的原因，并采取行之有效的應(yīng)對(duì)之策。
[關(guān)鍵詞]自動(dòng)控制理論；Matlab；模糊控制；魯棒控制；最優(yōu)化控制
中圖分類號(hào)：TP13-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2014）01-0310-01
隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進(jìn)一步的發(fā)展，彌補(bǔ)各理論分支的缺點(diǎn)與不足，以滿足更高的控制性能指標(biāo)?，F(xiàn)有的控制理論在線性系統(tǒng)控制中大都能取得良好的控制效果，但對(duì)離散、非線性復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的研究大都剛剛起步，或處于初級(jí)階段，遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的模型一般都很復(fù)雜，通常具有非線性、分布參數(shù)和時(shí)變等特性。因此將控制理論的研究領(lǐng)域推廣到非線性復(fù)雜系統(tǒng)有重要的實(shí)際意義。另外與宏觀復(fù)雜系統(tǒng)控制相對(duì)的量子控制（Quantum Control）也正在作為一個(gè)全新的學(xué)科領(lǐng)域蓬勃崛起，它的發(fā)展也依賴于完善的控制理論和優(yōu)化控制策略。近年來隨著微電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展也強(qiáng)有力的推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的發(fā)展。
一、現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展
控制理論作為一門科學(xué)，它的產(chǎn)生可追溯到18 世紀(jì)中葉的第一次技術(shù)革命，1765年瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，應(yīng)用離心式飛錘調(diào)速器原理控制蒸汽機(jī)，標(biāo)志著人類以蒸汽為動(dòng)力的機(jī)械化時(shí)代的開始，后來工程界用控制理論分別從時(shí)域和頻域角度討論調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性題，1872年勞斯（Routh E J）和1890年赫爾維茨（Hurwitz）先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)據(jù)，1932年奈奎斯特（Nyquist H）發(fā)表了放大器穩(wěn)定性的著名論文，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特判據(jù)。美國(guó)著名的控制論創(chuàng)始人維納（Wiener N）總結(jié)了前人的成果，認(rèn)為客觀世界存在3大要素：物質(zhì)、能量、信息，雖然在物質(zhì)構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)換方面，動(dòng)物和機(jī)器有顯著的不同，但在信息傳遞、變換、處理方面有驚人的相似之處，1948 年發(fā)表了《控制論―或關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，確立了控制理論這門學(xué)科的產(chǎn)生。
1.經(jīng)典控制理論。第一代稱為“經(jīng)典控制理論”時(shí)期，時(shí)間為20 世紀(jì)40～50 年代。它研究的主要對(duì)象多為線性定常系統(tǒng)，主要研究單輸入單輸出問題，研究方法主要采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎(chǔ)的頻域分析法，它的控制思想首先旨在對(duì)機(jī)器進(jìn)行“調(diào)節(jié)”，使之能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其次是采用“反饋的方式，使得一個(gè)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)按指定目標(biāo)進(jìn)行控制?！?/p>
2.現(xiàn)代控制理論。第二代稱為“現(xiàn)代控制理論”時(shí)期，時(shí)間為20 世紀(jì)60～70 年代。經(jīng)典控制理論對(duì)線性定常系統(tǒng)可產(chǎn)生良好的控制效果，但是它對(duì)多輸入多輸出、時(shí)變、非線性系統(tǒng)的控制卻力不從心。所以50 年代末60 年代初，學(xué)者卡爾曼等人將古典力學(xué)中的狀態(tài)、狀態(tài)空間概念加以發(fā)展與推廣，將經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述多變量控制系統(tǒng)，并深刻揭示了用狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性如可控性、可觀性，從而奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)。
3.第三代控制理論。以上所提的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是建立在數(shù)學(xué)模型之上的，所以統(tǒng)稱為常規(guī)（傳統(tǒng)）控制。它們?yōu)榱丝刂票仨毥?，但許多實(shí)際系統(tǒng)的高維性及系統(tǒng)信息的模糊性、不確定性、偶然性和不完全性給基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論以巨大的挑戰(zhàn)。是否可以改變一下思路，不完全以控制對(duì)象為研究主體，而以控制器為研究對(duì)象；是否可以用人工智能的邏輯推理、啟發(fā)式知識(shí)、專家系統(tǒng)解決難于建立數(shù)學(xué)模型的問題呢？智能控制的出現(xiàn)正源于這一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一詞，1971 年傅京孫教授指出，為了解決控制問題，用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法研究新的工具來對(duì)復(fù)雜的“環(huán)境2對(duì)象”模型進(jìn)行建模和識(shí)別以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的思想建立對(duì)不能精確定義的環(huán)境和任務(wù)的控制設(shè)計(jì)方法，這兩者都值得試一試，而重要的是把兩種途徑密切結(jié)合起來協(xié)調(diào)的進(jìn)行研究。沿著這一思想出發(fā)，現(xiàn)代控制理論將微分幾何、微分代數(shù)、數(shù)學(xué)分析與邏輯推理、啟發(fā)式知識(shí)建立和發(fā)展了智能控制理論相結(jié)合從而形成第三代控制理論大系統(tǒng)理論和智能控制理論。
二、Matlab工程軟件
關(guān)鍵詞：圖像縮小 圖像放大 FPGA
中圖分類號(hào): TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416(2011)12-0126-02
Abstract：Because the demand of the real-time image processing performace is very huge，F(xiàn)PGA-based scaler is adapt to it with the parallel processing capality. The paper presents a simplified-structure image pretreatment based on FPGA.It can impliment more complicated image contraciton and amplification algorithm.
Keywords：Image contraction Image amplification FPGA
1、引言
數(shù)字圖像的縮放在實(shí)際生活中被廣泛的使用，比如同一DVD視頻源在不同的電視機(jī)、計(jì)算機(jī)上顯示的時(shí)候，由于不同的顯示終端的分辨率不同，而數(shù)據(jù)源的分辨率是相同的，這樣就需要將此視頻源進(jìn)行縮放處理。在一些實(shí)時(shí)性要求很高的場(chǎng)合，比如視頻會(huì)議系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，由于用戶需要實(shí)時(shí)觀看到不同視頻源的不同分辨率的圖像，最常見的應(yīng)用是監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控者可能需要將感興趣的實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行放大，以便獲取更多的監(jiān)控信息。在這些應(yīng)用中，對(duì)縮放算法的效果和實(shí)時(shí)特性要求都比較高。FPGA常被用于這類系統(tǒng)的解決方案之中。
2、算法原理
傳統(tǒng)的算法采用需要處理的原始圖像像素點(diǎn)周圍四個(gè)點(diǎn)的像素值之間的相關(guān)性，通過算法計(jì)算得出的。對(duì)于目標(biāo)圖像的任意一個(gè)限速（x，y），通過反向坐標(biāo)查找得到原始圖像中的浮點(diǎn)坐標(biāo)為(i+u，j+v)，其中i，j均為非負(fù)整數(shù)，u，v為[0，1]區(qū)間的浮點(diǎn)數(shù)，則目標(biāo)圖像的像素值f(x，y)可由原圖像中四個(gè)坐標(biāo)分別為(i，j)，(i+1，j)，(i，j+1)，(i+1，j+1)所對(duì)應(yīng)的像素值經(jīng)過加權(quán)得到，即：f(x，y)=C0×f(i，j)+C1×f (i，j+1)+C2×f(i+1，j)+C3×f(i+1，j+1)，其中f(i，j)表示原始圖像坐標(biāo)為(i，j)處的像素值，以此類推，C0～C3為不同的加權(quán)系數(shù)，根據(jù)不同的算法，其取值不同。
傳統(tǒng)算法引入的u、v兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，其系數(shù)也是根據(jù)此浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)算的。然而，F(xiàn)PGA處理浮點(diǎn)數(shù)比較復(fù)雜，只能通過近視逼近的方式，必然會(huì)處在精度丟失。另外任意的浮點(diǎn)數(shù)經(jīng)過計(jì)算得到的加權(quán)系數(shù)也是浮點(diǎn)類型，這對(duì)后續(xù)的乘累加是不利的，因?yàn)槌死奂有枰母嗟腇PGA中的DSP資源。
本算法采用將縮放比例轉(zhuǎn)換為多個(gè)整數(shù)倍縮放的累加的方式?？梢宰C明如下命題正確：
對(duì)任意自然數(shù)M、N（M>N），必然存在非負(fù)整數(shù)K、L、a使得如下等式成立：
N/M=(K+L)/[Ka+L(a+1)]。
證明如下：
當(dāng)N=1時(shí)，令K=1，L=0，a=N，以上命題顯然成立。
當(dāng)N>1時(shí)：
因?yàn)镸>N，設(shè)M=αN+β，其中α = [M/N]([ ]代表取整運(yùn)算)；β=M%N（%代表求余運(yùn)算）。顯然α、β均為非負(fù)整數(shù)。
要證明N/M=(K+L)/[Ka+L(a+1)]，等效于
N/M=(K+L)/[（K+L）a+L]…………………………………
令K+L=N，等效于
N/M=N/[Na+L] …………………………………
令L=β，a=α，等效于
N/M=N/[Na+L]= N/[αN+β]= = N/M
所以：
N=1時(shí)：K=1，L=0，a=N使得命題成立。
N>1時(shí)：K=N-β，L=β，a=α可以(其中α = [M/N]；β=M%N)使得命題成立。
采用同樣的方法還可以證明如下命題成立：
對(duì)任意自然數(shù)M、N（M
N/M=[Ka+L(a+1)] /(K+L)。
根據(jù)以上兩個(gè)結(jié)論可以得到如下結(jié)論：
任何一種縮放比例都可以通過兩種整數(shù)倍縮放的組合來實(shí)現(xiàn)。而且這兩種整數(shù)倍相差1行（或列）。
比如3/4縮放，可以通過以上命題結(jié)論表示為：
3/4=(1+2)/(2×1+1×2)
即一個(gè)3/4縮小的處理可以轉(zhuǎn)換為2個(gè)1/1縮放，再加上1個(gè)1/2的縮放。
3、算法結(jié)果對(duì)比
我們比較傳統(tǒng)的二次線性縮放算法和本文提出的算法。下圖中圖1是原始圖像，圖2是采用二次線性縮放算法縮小為原來的3/4的結(jié)果，圖3是采用本文提出的算法縮小3/4的結(jié)果。
傳統(tǒng)的二次線性算法由于均采用多點(diǎn)加權(quán)的方式，所以目標(biāo)圖像中任何一個(gè)像素實(shí)際上都是原始圖像經(jīng)過運(yùn)算所得。其結(jié)果是目標(biāo)圖像的高頻分量丟失嚴(yán)重，圖像變得比較模糊。而本文的算法采用分段處理的方式，不同的分段其參與加權(quán)的像素是不同的，從而僅可能的保留了原始圖像的高頻分量。從而得到的圖像比較明亮清楚。
4、FPGA上的實(shí)現(xiàn)
此算法可以在FPGA上比較容易的實(shí)現(xiàn)，下圖是其實(shí)現(xiàn)框圖(圖4)。
其中LBUF0～LBUF3是4個(gè)行緩沖裝置，用于存儲(chǔ)濾波過程中需要的的多行數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)從BUF0-->BUF1-->BUF2-->BUF3的時(shí)候，F(xiàn)IR模塊判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)是否需要做濾波處理，以及其濾波系數(shù)為多少。然后進(jìn)行乘累加得到最終的濾波結(jié)果。
在FPGA實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，采用分辨率是1024×768的RBG原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所消耗的資源如下：RAM資源96kbit，slice1.5k。
5、結(jié)語
本文提出了一種能能夠?qū)⑷我饪s放比例轉(zhuǎn)化為多個(gè)整數(shù)倍縮放的組合，從而避免了復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算，非常適合FPGA來實(shí)現(xiàn)該算法，是一種非常經(jīng)濟(jì)的工程實(shí)現(xiàn)方案。
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作者簡(jiǎn)介
【論文摘要】：機(jī)電一體化是一種復(fù)合技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)、信息技術(shù)互相滲透的產(chǎn)物，是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文簡(jiǎn)述了機(jī)電一體化技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)組成和主要應(yīng)用領(lǐng)域，并指出其發(fā)展趨勢(shì)。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，引起了工程領(lǐng)域的技術(shù)改造與革命。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。
一、機(jī)電一體化的核心技術(shù)
機(jī)電一體化包括軟件和硬件兩方面技術(shù)。硬件是由機(jī)械本體、傳感器、信息處理單元和驅(qū)動(dòng)單元等部分組成。因此，為加速推進(jìn)機(jī)電一體化的發(fā)展，必須從以下幾方面著手：
（一）機(jī)械本體技術(shù)
機(jī)械本體必須從改善性能、減輕質(zhì)量和提高精度等幾方面考慮?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品一般都是以鋼鐵材料為主，為了減輕質(zhì)量除了在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，還應(yīng)考慮利用非金屬復(fù)合材料。只有機(jī)械本體減輕了重量，才有可能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化，進(jìn)而在控制方面改善快速響應(yīng)特性，減少能量消耗，提高效率。
（二）傳感技術(shù)
傳感器的問題集中在提高可靠性、靈敏度和精確度方面，提高可靠性與防干擾有著直接的關(guān)系。為了避免電干擾，目前有采用光纖電纜傳感器的趨勢(shì)。對(duì)外部信息傳感器來說，目前主要發(fā)展非接觸型檢測(cè)技術(shù)。
（三）信息處理技術(shù)
機(jī)電一體化與微電子學(xué)的顯著進(jìn)步、信息處理設(shè)備（特別是微型計(jì)算機(jī)）的普及應(yīng)用緊密相連。為進(jìn)一步發(fā)展機(jī)電一體化，必須提高信息處理設(shè)備的可靠性，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備的可靠性和分時(shí)處理的輸入輸出的可靠性，進(jìn)而提高處理速度，并解決抗干擾及標(biāo)準(zhǔn)化問題。
（四）驅(qū)動(dòng)技術(shù)
電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已被廣泛采用，但在快速響應(yīng)和效率等方面還存在一些問題。目前，正在積極發(fā)展內(nèi)部裝有編碼器的電機(jī)以及控制專用組件-傳感器-電機(jī)三位一體的伺服驅(qū)動(dòng)單元。
（五）接口技術(shù)
為了與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，必須使數(shù)據(jù)傳遞的格式標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化。接口采用同一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格不僅有利于信息傳遞和維修，而且可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。目前，技術(shù)人員正致力于開發(fā)低成本、高速串行的接口，來解決信號(hào)電纜非接觸化、光導(dǎo)纖維以及光藕器的大容量化、小型化、標(biāo)準(zhǔn)化等問題。
（六）軟件技術(shù)
軟件與硬件必須協(xié)調(diào)一致地發(fā)展。為了減少軟件的研制成本，提高生產(chǎn)維修的效率，要逐步推行軟件標(biāo)準(zhǔn)化，包括程序標(biāo)準(zhǔn)化、程序模塊化、軟件程序的固化、推行軟件工程等。
二、機(jī)電一體化技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域
（一）數(shù)控機(jī)床
數(shù)控機(jī)床及相應(yīng)的數(shù)控技術(shù)經(jīng)過40年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具體表現(xiàn)在：
1、總線式、模塊化、緊湊型的結(jié)構(gòu)，即采用多CPU、多主總線的體系結(jié)構(gòu)。
2、開放性設(shè)計(jì)，即硬件體系結(jié)構(gòu)和功能模塊具有層次性、兼容性、符合接口標(biāo)準(zhǔn)，能最大限度地提高用戶的使用效益。
3、WOP技術(shù)和智能化。系統(tǒng)能提供面向車間的編程技術(shù)和實(shí)現(xiàn)二、三維加工過程的動(dòng)態(tài)仿真，并引入在線診斷、模糊控制等智能機(jī)制。
4、大容量存儲(chǔ)器的應(yīng)用和軟件的模塊化設(shè)計(jì)，不僅豐富了數(shù)控功能，同時(shí)也加強(qiáng)了CNC系統(tǒng)的控制功能。
5、能實(shí)現(xiàn)多過程、多通道控制，即具有一臺(tái)機(jī)床同時(shí)完成多個(gè)獨(dú)立加工任務(wù)或控制多臺(tái)和多種機(jī)床的能力，并將刀具破損檢測(cè)、物料搬運(yùn)、機(jī)械手等控制都集成到系統(tǒng)中去。
6、系統(tǒng)的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能，加強(qiáng)了系統(tǒng)組合及構(gòu)成復(fù)雜加工系統(tǒng)的能力。
7、以單板、單片機(jī)作為控制機(jī)，加上專用芯片及模板組成結(jié)構(gòu)緊湊的數(shù)控裝置。
（二）計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）
CIMS的實(shí)現(xiàn)不是現(xiàn)有各分散系統(tǒng)的簡(jiǎn)單組合，而是全局動(dòng)態(tài)最優(yōu)綜合。它打破原有部門之間的界線，以制造為基干來控制“物流”和“信息流”，實(shí)現(xiàn)從經(jīng)營(yíng)決策、產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的有機(jī)結(jié)合。企業(yè)集成度的提高可以使各種生產(chǎn)要素之間的配置得到更好的優(yōu)化，各種生產(chǎn)要素的潛力可以得到更大的發(fā)揮。
（三）柔性制造系統(tǒng)（FMS）
柔性制造系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)化的制造系統(tǒng)，主要由計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、料盤、自動(dòng)搬運(yùn)小車和自動(dòng)化倉庫等組成。它可以隨機(jī)地、實(shí)時(shí)地、按量地按照裝配部門的要求，生產(chǎn)其能力范圍內(nèi)的任何工件，特別適于多品種、中小批量、設(shè)計(jì)更改頻繁的離散零件的批量生產(chǎn)。
（四）工業(yè)機(jī)器人
第1代機(jī)器人亦稱示教再現(xiàn)機(jī)器人，它們只能根據(jù)示教進(jìn)行重復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工作環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的變化缺乏適應(yīng)性和靈活性；第2代機(jī)器人帶有各種先進(jìn)的傳感元件，能獲取作業(yè)環(huán)境和操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，做出一定的判斷，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)智能，已開始走向?qū)嵱没?；?代機(jī)器人即智能機(jī)器人，具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維、判斷和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)，與第5代計(jì)算機(jī)關(guān)系密切。
三、機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展前景
縱觀國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和高新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，機(jī)電一體化將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：
（一）智能化
智能化是機(jī)電一體化與傳統(tǒng)機(jī)械自動(dòng)化的主要區(qū)別之一，也是21世紀(jì)機(jī)電一體化的發(fā)展方向。近幾年，處理器速度的提高和微機(jī)的高性能化、傳感器系統(tǒng)的集成化與智能化為嵌入智能控制算法創(chuàng)造了條件，有力地推動(dòng)著機(jī)電一體化產(chǎn)品向智能化方向發(fā)展。智能機(jī)電一體化產(chǎn)品可以模擬人類智能，具有某種程度的判斷推理、邏輯思維和自主決策能力，從而取代制造工程中人的部分腦力勞動(dòng)。
（二）系統(tǒng)化
系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意的剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)特征之二是通信功能大大加強(qiáng)，一般除RS232等常用通信方式外，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及多系統(tǒng)通信聯(lián)網(wǎng)需要的局部網(wǎng)絡(luò)正逐漸被采用。未來的機(jī)電一體化更加注重產(chǎn)品與人的關(guān)系，如何賦予機(jī)電一體化產(chǎn)品以人的智能、情感、人性顯得越來越重要。機(jī)電一體化產(chǎn)品還可根據(jù)一些生物體優(yōu)良的構(gòu)造研究某種新型機(jī)體，使其向著生物系統(tǒng)化方向發(fā)展。
（三）微型化
微型機(jī)電一體化系統(tǒng)高度融合了微機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和軟件技術(shù)，是機(jī)電一體化的一個(gè)新的發(fā)展方向。國(guó)外稱微電子機(jī)械系統(tǒng)的幾何尺寸一般不超過1cm3，并正向微米、納米級(jí)方向發(fā)展。由于微機(jī)電一體化系統(tǒng)具有體積小、耗能小、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，可進(jìn)入一般機(jī)械無法進(jìn)入的空間并易于進(jìn)行精細(xì)操作，故在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、信息技術(shù)、工農(nóng)業(yè)乃至國(guó)防等領(lǐng)域，都有廣闊的應(yīng)用前景。目前，利用半導(dǎo)體器件制造過程中的蝕刻技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中已制造出亞微米級(jí)的機(jī)械元件。
（四）模塊化
模塊化也是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，是一項(xiàng)重要而艱巨的工程。由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、信息接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)復(fù)雜而重要的事，它需要制訂一系列標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。機(jī)電一體化產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)可利用標(biāo)準(zhǔn)單元迅速開發(fā)新產(chǎn)品，同時(shí)也可以不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。
（五）網(wǎng)絡(luò)化
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)機(jī)電一體化有重大影響，使其朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。機(jī)電一體化產(chǎn)品的種類很多，面向網(wǎng)絡(luò)的方式也不同。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。
（六）綠色化
工業(yè)的發(fā)達(dá)使人們物質(zhì)豐富、生活舒適的同時(shí)也使資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染，于是綠色產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)，其目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期中，對(duì)生態(tài)環(huán)境無危害或危害極小，資源利用率極高。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指使用時(shí)不污染生態(tài)環(huán)境，報(bào)廢時(shí)能回收利用。綠色制造業(yè)是現(xiàn)代制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展模式。
綜上所述，機(jī)電一體化技術(shù)是眾多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，是社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。它促使機(jī)械工業(yè)發(fā)生戰(zhàn)略性的變革，使傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)概念發(fā)生著革命性的變化。大力發(fā)展新一代機(jī)電一體化產(chǎn)品，不僅是改造傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的要求，而且是推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代和開辟新領(lǐng)域、發(fā)展與振興機(jī)械工業(yè)的必由之路。
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