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開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇半導體材料論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅和金剛石等稱為第三代半導體材料。本文介紹了三代半導體的性質比較、應用領域、國內外產業化現狀和進展情況等。
關鍵詞
半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵
1前言
半導體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料[1]，支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。電子信息產業規模最大的是美國和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來，我國電子信息產品以舉世矚目的速度發展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長20，產業規模是1997年的2.5倍，居國內各工業部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志。
半導體材料的種類繁多，按化學組成分為元素半導體、化合物半導體和固溶體半導體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態可分為多晶、單晶和非晶;按應用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導體材料單晶制片后直接用于制造半導體材料，這些稱為“體材料”;相對應的“薄膜材料”是在半導體材料或其它材料的襯底上生長的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問題、提高純度和晶體完整性、生長異質結，能用于制造三維電路等優點。許多新型半導體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術也在不斷發展。薄膜材料有同質外延薄膜、異質外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。
在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導體材料[4]。上述材料是目前主要應用的半導體材料，三代半導體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進行介紹。
2主要半導體材料性質及應用
材料的物理性質是產品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發射光的波長，禁帶寬度越大發射光波長越短藍光發射;禁帶寬度越小發射光波長越長。其它參數數值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。
硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優良、易于生長大尺寸高純度晶體等優點，處在成熟的發展階段。目前，硅材料仍是電子信息產業最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。
砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時處理光電信號，被公認是新一代的通信用材料。隨著高速信息產業的蓬勃發展，砷化鎵成為繼硅之后發展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。同時，其在軍事電子系統中的應用日益廣泛，并占據不可取代的重要地位。
gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優良的特性，可制成藍綠光、紫外光的發光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，并開始進入市場。與制造技術非常成熟和制造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰是發展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。
主要半導體材料的用途如表2所示。可以預見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發展將成為集成電路及半導體器件產業發展的主流。
3半導體材料的產業現狀
3.1半導體硅材料
3.1.1多晶硅
多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，主要生產方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導體級多晶硅。2001年全球多晶硅產能為23900t，生產高度集中于美、日、德3國。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產能超過1000t/a，絕大多數世界市場由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峰值，隨后全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產量為17900t，為產能的75左右。全球多晶硅市場供大于求，隨著半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。
我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業起步于50年代，60年代實現工業化生產。由于技術水平低、生產規模太小、環境污染嚴重、生產成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產多晶硅。2001年生產量為80t[7]，僅占世界產量的0.4，與當今信息產業的高速發展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協調。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續下去。據專家預測，2005年國內多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。
峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導體材料廠1998年建成的100t/a規模的多晶硅工業性生產示范線，提高了各項經濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產量擴建至300t/a，目前處在可行性研究階段。
3.1.2單晶硅
生產單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場直拉法mcz、區熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術密集型行業，在國際市場上產業相對成熟，市場進入平穩發展期，生產集中在少數幾家大公司，小型公司已經很難插手其中。
目前國際市場單晶硅產量排名前5位的公司分別是日本信越化學公司、德瓦克化學公司、日本住友金屬公司、美國memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司占據了市場份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業中占據了主導地位[8]。
集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求詳見文獻[8]，晶片大尺寸和高質量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研制水平達到16英寸。
我國單晶硅技術及產業與國外差距很大，主要產品為6英寸以下，8英寸少量生產，12英寸開始研制。隨著半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產量逐年增加。據統計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產量為584t，拋光片產量5183萬平方英寸，主要規格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產線正向我國戰略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產線有近10條之多，對大直徑高質量的硅晶片需求十分強勁，而國內供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結構不合理可見一斑。在現有形勢和優勢面前發展我國的硅單晶和ic技術面臨著巨大的機遇和挑戰。
我國硅晶片生產企業主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國內領先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內市場占有率為40。2000年建成國內第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產線;在北京市林河工業開發區建設了區熔硅單晶生產基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產25t區熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發、制造及自動化控制系統和儀器儀表開發，近幾年實現了高成長性的高速發展。
3.2砷化鎵材料
用于大量生產砷化鎵晶體的方法是傳統的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產法。國外開發了兼具以上2種方法優點的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見表3。
移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產國和輸出國，占世界市場的7080;美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產線，在砷化鎵生產技術上領先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產和銷售商，年產gaas單晶30t。美國axt公司是世界最大的vgf
gaas材料生產商[8]。世界gaas單晶主要生產商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產量和市場需求快速增加，已占據35以上的市場份額。研制和小批量生產水平達到8英寸。
我國gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，
4英寸處在產業化前期，研制水平達6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進口。砷化鎵生產主要原材料為砷和鎵。雖然我國是砷和鎵的資源大國，但僅能生產品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用于生產光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達7n，基本靠進口解決。
國內gaas材料主要生產單位為中科鎵英、有研硅股、信息產業部46所、55所等。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產業化，初期計劃規模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產規模的同時，應重視具有獨立知識產權的技術和產品開發，發展我國的砷化鎵產業。
3.3氮化鎵材料
gan半導體材料的商業應用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發藍光的特性一開始就吸引了半導體開發人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業應用的實質進步和突破。由于gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。
2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺灣powdec公司宣布將規模生產4英寸gan外延晶片。gan基器件和產品開發方興未艾。目前進入藍光激光器開發的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業的跨國公司正積極開發白光照明和汽車用gan基led發光二極管產品。涉足gan基電子器件開發最為活躍的企業包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。
目前，日本、美國等國家紛紛進行應用于照明gan基白光led的產業開發，計劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據美國市場調研公司strstegiesunlimited分析數據，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處于發展初期。該公司預測即使最保守發展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。
因gan材料尚處于產業初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產業化工作，率先在我國實現氮化鎵基材料產業化并成功投放市場。方大公司已批量生產出高性能gan芯片，用于封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一家具有規模化研究、開發和生產氮化鎵基半導體系列產品、并擁有自主知識產權的企業。中科院半導體所自主開發的gan激光器2英寸外延片生產設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續研究，爭取在gan等第三代半導體產業中占據一定市場份額和地位。
4結語
不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產業發展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產業將成為研究和發展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業在現有的技術、市場和發展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰。
參考文獻
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關鍵詞：氧化鋅，稀磁半導體，鐵磁性
0.引言
當代和未來信息技術都占據著重要的地位，因此隨著社會的不斷發展,對信息的處理、傳輸和存儲將要求更大的規模和速度。半導體材料在信息處理和傳輸中有著重要的作用，半導體技術應用了電子的電荷屬性；磁性材料在信息存儲有著重要的應用，磁性技術利用了電子的自旋屬性。但是半導體材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半導體的性質，因此人們想到了通過摻入磁性離子來獲得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半導體中摻雜引入過渡金屬（或稀土金屬）等磁性離子，這種通過摻雜而產生的磁性與本征磁性有一定的區別，人們稱其為稀磁性。在化合物半導體中，由磁性離子部分地代替非磁性離子所形成的一類新型半導體材料，稱之為稀磁半導體。
1. 發展現狀
1.1 摻雜具有室溫鐵磁性的Fe、Co、Ni等過渡磁性金屬離子
在ZnO中摻雜引入磁性離子可以使樣品產生磁性，因此人們在ZnO中摻入了具有室溫鐵磁性的Fe、Co、Ni等過渡磁性金屬離子，結果發現樣品的室溫鐵磁性對制備技術、生長條件等都有很大的依賴關系。侯登錄等人[1]采用磁控濺射法在Si基底上制備Fe摻雜的樣品，發現鐵磁性是其本征性質。。Liu等人用化學氣相沉積法制備了Co摻雜的樣品，分析發現摻雜Co的ZnO樣品鐵磁性與Co的不純相ZnCo2O 4無關。Akdogan等人用射頻磁控濺射法制備了摻雜不同Co離子濃度的的樣品，分析得出氧原子的自旋極化對樣品長程鐵磁序的形成有重要作用，且Co原子的摻雜引起了ZnO的本征鐵磁性。Parra-Palomino等人研究發現樣品的鐵磁性與ZnO中的缺陷有關。
1.2 摻雜具有低溫鐵磁性的Mn、Cr等過渡磁性金屬離子
在ZnO中摻雜引入磁性離子可以使樣品產生磁性，因此人們在ZnO中摻入了具有低溫鐵磁性的Mn、Cr等過渡磁性金屬離子，于宙等人[2]用化學方法制備了Mn摻雜的ZnO基稀磁半導體材料，分析發現該材料的鐵磁性是由Mn離子對ZnO中Zn離子的替代作用引起的。Robert等用射頻磁控濺射法制備了摻雜Cr的ZnO樣品。分析發現H原子占據了O的位置并產生了一個深的施主缺陷從而增強了自由載流子數和鐵磁的超交換作用，進而導致了樣品的鐵磁性。
1.3 摻入不具有室溫鐵磁性的Al、Cu等金屬離子
研究發現在ZnO樣品中摻入不具有室溫鐵磁性的Al、Cu等離子樣品也可以顯示出室溫鐵磁性。劉惠蓮等[3]用檸檬酸鹽法合成了一系列摻Cu樣品，研究發現鐵磁性是其本征性質。Ma等人用脈沖激光沉積法制備了摻雜Al的ZnO樣品，發現樣品鐵磁性與Al原子和Zn之間的電荷傳輸有關。
1.4 多元素摻雜ZnO基稀磁半導體
邱東江等人[4]用電子束反應蒸發法生長了Mn和N共摻雜的薄膜，發現樣品的室溫鐵磁性很可能源于束縛磁極化子的形成。Gu等人用射頻磁控濺射法制備了摻雜Mn和N的ZnO樣品。分析發現樣品為室溫鐵磁性,這可能與N原子的摻入使空穴的濃度增加有關。Shim等人用標準固態反應法制備了摻雜Fe、Cu的ZnO樣品，發現摻雜Fe、Cu的ZnO的鐵磁性起源于第二相。且Fe原子進入ZnO并取代Zn原子是產生鐵磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)襯底上制備了Ni摻雜和(Ni、Li)共摻ZnO薄膜樣品。研究發現鐵磁性的起源可以用電子調制的機制來解釋,Ni-ZnO中的施主電子形成了束縛磁極化子,束縛磁極化子能級的交疊形成自旋-自旋雜質能帶,通過這些施主電子耦合即Ni2+原子之間的遠程交換相互作用導致了鐵磁性。
由于摻雜ZnO是一個新興的研究方向，因此人們對其研究結果不盡相同有的甚至相反，例如對于Fe摻雜的ZnO基稀磁半導體，Parra-Palomino等人發現摻雜Fe的樣品的鐵磁性可以用載流子交換機制來解釋，侯登錄等人[1]發現摻雜Fe的樣品的鐵磁性可以用局域磁偶極子作用機制來解釋。又如對于摻雜樣品的鐵磁性是樣品的本征性質還是非本征性質方面人們的觀點也不盡相同，Shim等人發現鐵磁性是摻雜Ni的ZnO樣品的非本征性質。Akdogan等人發現Co原子的摻雜引起了樣品的本征鐵磁性。對于摻雜所引起的樣品磁性方面，Liu等人研究發現摻雜Co的ZnO樣品具有鐵磁性，而Tortosa等人發現摻雜Co的ZnO樣品是順磁性的。研究發現樣品的鐵磁性與制備方法、生長的氣體環境、氣體壓強、生長時間、退火溫度、退火時間、摻雜劑量、摻雜元素的種類以及相對含量均有很大的關系。
2. 結論
目前, 對于ZnO基稀磁半導體材料的研究主要集中在兩個方面:(1)優化生長參數,獲得高質量的薄膜。。(2)選擇不同摻雜元素與摻雜量,通過單摻雜或共摻雜,提高薄膜的居里溫度,奠定其應用基礎。
通過對單摻雜金屬的ZnO樣品及共摻雜的樣品的結構分析、以及電學、磁學、導電性等性質的分析，發現對于相同的摻雜，樣品鐵磁性的強弱不同，有的結論甚至相反。這與樣品的制備技術不同、以及不同的生長環境有關。通過各種制備方法及不同制備工藝得到的ZnO薄膜的性能存在較大的差異,而且可重復率比較低。鐵磁性來源和機理分析還需要進一步的系統性研究。。對樣品的鐵磁性起源理論眾多。目前關于稀磁半導體材料鐵磁性根源的解釋有多種，有載流子交換機制(可以解釋具有室溫鐵磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素摻雜的情況）。載流子導致的鐵磁性與反鐵磁性競爭機制（可以解釋Mn、Cr、Co等元素摻雜的情況）。局域磁偶極子之間相互作用機制（可以解釋V、Ni等元素摻雜的情況）。
在實驗和理論的統一方面還存在有許多的矛盾之處,而且每種理論都只得到了部分實驗證實.因此對ZnO基稀磁半導體的磁性機理的認識還需進一步的提高。可以在以下幾個方面開展進一步的更深入的研究。一是改善樣品的制備工藝，許多試驗重復率很低說明樣品的制備過程中有許多影響因素，有待于對其發現并掌握。二是改變摻雜的金屬元素，傳統的摻雜只對過渡金屬進行了大量研究對于非過渡金屬的相關研究很少。而且由單摻雜向共摻雜轉變是一條很好的思路。
參考文獻
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關鍵詞：光催化 降解 甲基橙 BiOBr 水熱合成
近年來，隨著工業的快速發展，水環境中有毒物、致癌物污染物的大量排放，嚴重地威脅著人類的健康。半導體光催化氧化技術以其眾多的優點受到了人們的青睞[1,2]，但是，由于光催化技術的反應體系較為復雜，目前的光催化技術還基本停留在實驗室研究的層面上，其中最為突出的問題是光催化劑的光量子效率低，對光的響應范圍狹窄，催化能效率低，催化劑不穩定等，因此光催化劑的制備及改性一直是國內外研究的熱點[1-5]。BiOX（Cl、Br、I）是一類新型的半導體材料[3-5]，具有獨特的電子結構、良好的光學性質和較高的催化活性，且隨著鹵素原子序數的增加，其光吸收和光催化性能均呈規律性變化，近年來引起了研究人員的興趣。本實驗通過水熱合成法制備了BiOBr光催化劑并對其進行表征，考察了不同溶劑下制備BiOBr光催化劑的形貌組成；以甲基橙為目標降解物，考察了不同pH值以及硫酸鈉電解質的加入對BiOBr光催化降解性能的影響。
一、實驗方法
1.催化劑的制備
二、光催化實驗
三、結果與討論
1.樣品表征
2.光催化降解
采用硝酸為溶劑制備的BiOBr粉末為光催化劑，紫外可見光下催化降解甲基橙。溶液初始pH值對光催化降解動力學的影響如圖2所示。由圖可見，pH值對催化劑的光催化活性具有顯著影響，pH=2時，甲基橙具有最好的催化降解效果，降解率達到了74%；pH=7時，降解率為52%；pH=9時，降解率只有21%，隨著pH值的升高，催化劑的光催化活性逐漸降低。
四、結論
通過水熱合成法制備產物，研究表明不同的水熱條件（溶劑）對產物的表面形貌產生了顯著的影響，以硝酸為溶劑條件下制備的片狀粉末顆粒更小。通過對BiOBr催化降解甲基橙的多組實驗數據進行研究分析，可知pH為2、加入硫酸鈉電解質條件下降解效果最好。
參考文獻
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英文名稱：Journal of the Chinese Rare Earth Society
主管單位：中國科協
主辦單位：中國稀土學會
出版周期：雙月刊
出版地址：北京市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1000-4343
國內刊號：11-2365/TG
郵發代號：2-612
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1983
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
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關鍵詞：電力電子； 有源溫控； 電橋； LED
中圖分類號：TN919-34； TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2011)24-0195-04
Development of Active Temperature Control System for High-power LED
LIU Shi-jun, LIU Chao
(Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism, Shanghai Institute of Aerospace System Engineering, Shanghai 201108, China)
Abstract： Most of the power energy of high-power LEDs convert into the heat energy when it is turned on. The light intensity and life time of high-power LED will be influenced seriously if the heat energy can not be diffused efficently. Considering the actual demand of the high-power LED heat dissipation, a LED active temperature control system is presented in this paper. The LED driver is used as the refrigeration driver power supply of TEC. The temperature monitoring circuit based on the semiconductor transducer is made. The closed-loop control system is formed through PI regulator. The tested data shows that the LED active temperature control system is stable and reliable.
Keywords： power electronics; active temperature control; electronic bridge; LED
收稿日期：2011-07-13
基金項目：上海市科學技術委員會基金資助項目（10XD1422900）
0 引 言
大功率LED的正向壓降和電流都比較大，其消耗的功率也比較大。目前大功率白光LED的電光轉換效率約為15%，剩余的85%則轉化為熱能，而一般LED芯片尺寸僅為Φ2~Φ5 mm，因此其功率密度很大。同時與傳統的照明器件不同，白光LED的發光光譜基本屬于可見光范圍內，不包含紅外部分［1］，所以其熱量不能依靠輻射釋放，如果熱量集中在尺寸很小的管芯內部而不能有效散出，就會導致芯片的溫度升高，引起熱應力的非均勻分布，同時芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定水平時器件的失效率將呈指數規律攀升，元件溫度每上升2 ℃，LED可靠性將下降10%左右。
同時，當溫度過高時白光LED器件的發光波長將發生紅移。據統計資料表明，在100 ℃的溫度下，波長可以紅移2~9 nm。從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差，并且會嚴重影響LED的使用壽命［2］。在室溫附近，溫度每升高1 ℃，LED的發光強度會相應減少1%左右，當器件從環境溫度上升到120 ℃時，亮度下降多達35%。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更加嚴重，因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件［3］，因此，如何提高散熱能力是大功率LED實現產業化亟待解決的關鍵技術難題之一。
1 有源溫控LED的開發
目前幾乎所有控制LED溫度的方式都是通過增加散熱面積，改善散熱材料等被動方式散熱，但是這種方法受環境溫度和LED功率大小限制，其作用效果有限，并且可控性很差，因此改善效果往往不能達到的要求［4］。于是，這里提出了一種使用熱電致冷器件TEC主動控制LED溫度的方法。這種方法當然也要消耗能源來制冷，但在必要時則能強制LED管芯局部降溫，從而仍可能有積極的作用。
1.1 TEC工作原理
TEC是利用熱電致冷效應原理制成。所謂熱電致冷效應，是指當直流電流通過具有熱電轉換特性的導體組成的回路時，具有致冷制熱的功能。半導體制冷是熱電制冷的一種，即直流電通過半導體材料制成的PN結回路時，在PN結的接觸面上有熱電能量轉換的特性，這種效應又稱為帕爾貼效應。帕爾貼效應是法國物理學家帕爾貼(Pettier)在1834年發現的。兩種不同導體聯成的閉合回路，當在此環路中接入電源時，一個焊接點的溫度降低為吸熱端；另一個焊接點的溫度升高為放熱端。這種現象被稱為熱電制冷和制熱。又由于半導體材料是一種較好的熱電能量轉換材料，在國際上熱電制冷器件普遍采用半導體材料制成，因此稱為半導體制冷器［5］。
當有外加直流電流I流過2種不同的金屬組成的閉合回路時，在一個接頭上會有熱量Q的吸收，而在另一個接頭上會有熱量Q放出，這種吸收或放出的熱量稱為帕爾貼熱。帕爾貼熱和通過該導體的電流關系為：Q=πI
(1)式中：π為帕爾貼系數，與材料的溫差電動勢率α和接頭溫度T1有關，π=αT1。帕爾貼熱只與2種導體的性質及接頭的溫度有關，而與導體其他部分的情況無關，且這種效應是可逆的。
半導體制冷器的基本致冷單元，是把P型半導體和N型半導體用金屬連接片焊接起來組成的電偶，如圖1(a)所示。載流子通過結點時，必然與周圍環境進行能量交換，能級的改變是現象的本質。N型半導體有多余的電子，具有負溫差電勢，P型半導體多數載流子子是空穴，電子不足，具有正溫差電勢，當電子從P型半導體穿過結點到N型半導體時，其能量必然增加，而且增加的能量相當于結點所消耗的能量，結點溫度降低。相反，當電子從N型半導體流至P型半導體時，結點的溫度就升高。由于單個電偶產生的熱效應較小，所以實際應用的半導體制冷器，是將多個這樣的電偶對一起串聯使用，如圖1(b)所示，這樣才能夠同時吸收或者釋放更多的熱量。通過改變TEC兩端的電流流向就能夠控制熱量吸收和釋放，同時控制電流的大小，就能控制TEC發熱或者制冷的功率，從而實現對LED溫度的控制。由于對于LED來說主要是控制其溫度不能超過其允許范圍，因此只需控制電流的大小而不必控制方向。
1.2 溫度測量方法
控制溫度需要溫度檢測裝置，這里采用熱敏電阻元件作為溫度的傳感器，通過測量其電阻值的大小來判斷溫度的大小。這樣希望溫度控制在某個值就有了溫度的給定，到溫度執行機構，再到溫度的檢測作為反饋就構成了溫度的閉環自動控制系統。
溫度信號首先要變成比較容易處理的電信號，這里采用溫度傳感器將溫度信號轉變為電信號。常見的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻、RTD和集成溫度傳感器。熱敏電阻主要用于點溫度、小溫差的測量，遠距離多點測量與控制，溫度的補償和電路的自動調節等。測溫范圍為-50~+450 ℃。與其他溫度傳感器相比，熱敏電阻溫度系數大、靈敏度高、響應迅速、測量線路簡單，體積小、壽命長、價格便宜，由于本身電阻值很大，因此可以不考慮引線長度帶來的誤差，適于遠距離的測量和控制［6］。
熱敏電阻的溫度系數有正有負，大概可分為NTC，PTC和CTR。NTC是一種具有負溫度系數的熱敏電阻，PTC是正溫度系數熱敏電阻，CTR是臨界溫度熱敏電阻［3-7］。NTC主要用于溫度測量和補償。本課題采用的是NTC型熱敏電阻。它的主要參數指標有標稱電阻值Rt、額定功率、電阻溫度系數α、測量功率、時間常數、耗散系數、穩壓范圍等。
一般而言，溫度的測量由溫度傳感器和電橋2部分組成。本課題研究的LED溫度的測量利用熱敏電阻和差分輸入電橋兩部分組成［7］。采用單電橋的測溫電路如圖2所示。
圖中RX為熱敏電阻；UR為參考基準電壓，要求參考電壓輸出必須精確穩定，一旦紋波過大，則會影響電橋的測量精度［8］。橋臂上其余電阻也采用高精度的精密電阻，以保證精確測量的需要。根據電路以及運算放大器的原理可以得到UO與UR的關系式：UO=(R2+R3)(R1+RX)－2R3RX2R2(R1+RX)UR
(2) 通過電路仿真得到UO與RX的關系曲線如圖3所示。圖中UR選取5 V，經過合理配置R1=1 kΩ，R2=R3，當RX大約在0.33 ~3 kΩ之間變化時，UO的輸出在范圍為0~5 V。本論文中0~5 V作為計算機信號代表LED的溫度信號變化范圍為-20~+200 ℃。因此通過熱敏電阻將溫度信號反饋到320單片機的A/D，再通過單片機控制TEC的電流就可以形成LED的溫度反饋控制［9］。
2 LED有源溫控系統的實現
首先介紹LED有源溫控系統的配置方式，然后通過對溫升數據的分析，指出LED有源溫控系統的可行性。
2.1 LED有源溫控系統的配置方式
首先通過智能LED驅動器給LED負載進行供電，上位機通過CAN或RS 485總線將控制信號傳遞給LED驅動器來控制LED輸出電流的大小，即控制LED發光亮度的大小，而隨著發光亮度的不同，LED的熱量也有很大的變化，亮度越高，其表面越熱，然后溫度傳感器將其溫度信號轉化為電壓信號，傳遞到LED驅動器的微處理控制模塊，經過A/D采樣轉化為數字信號，再由CAN/485總線將數據發送到上位機上，上位機根據所傳輸數據的大小通過內部數字PI控制器計算并輸出到微處理器控制模塊，再由微處理器控制模塊將相應的控制電壓給到驅動器上，由驅動器對LED制冷器進行供電，而微處理器供給的控制電壓的大小直接控制制冷器電流的大小，即制冷器制冷強度的大小，整個過程是一個完整的閉環系統，不需人為調節，由傳感器，驅動器電路，總線，上位機，制冷器自動控制。
本系統以C8051F340單片機為核心，與外部監控單元和接收機單元均采用串行口通信；單片機采集輸出電流反饋信號；環路校正采用數字PI校正，用軟件編程實現；校正輸出的信號送至F340內部產生的數字脈寬調制信號(PWM)，通過PWM加載到驅動電路的輸入端，從而改變負載輸出功率［10］系統結構如圖4所示。
對于數字校正來說，環路的控制是按照一定的采樣周期進行的。本系統中采樣周期選為20 ms。系統反饋控制單元采用數字PI校正，用軟件編程來實現。相對于模擬環路校正來講，數字Pl調節器具有調試方便、可靠性高等優點。下面對本系統所采用的數字PI控制器進行詳細的介紹。
PI調節器的傳遞函數為kpτs+1τs，其中，τ為積分時間常數；kp為比例系數，這里τ=0.03，kp=1。該調節器的模擬輸出為：u(t)=kp［e(t)+1τ∫10e(t)dτ］
(3)式中:e(t)為調節器的偏差輸入，即給定值與反饋采樣值之差。
將式(3)離散化：uk=kp［ek+1τ∑k－1n=0e(n)T］
(4)式中：T為采樣周期。
對第k個采樣值和第k-1個采樣值進行比較，進而推理出本次的控制量向上次控制量的關系：uk－uk－1=［kpek－kp(1－Tτ)ek－1］
(5) 最后得到：uk=kpek+qk－1
(6)式中：qk=uk－kp(1－Tτ)ek－1。程序流程如圖5所示。
2.2 LED的溫升實驗測量數據分析
表1為不加TEC制冷而測試出的輸出電壓，溫度與熱敏電阻阻值的關系。由表中數據可以看出，其熱敏電阻值與輸出電壓的關系與圖3模擬仿真結果基本一致，誤差不超過1%。
而當加入TEC制冷器以后，無論發光亮度有多大，LED表面溫度都迅速降溫為25 ℃左右，達到了預期制冷的效果。表2為加入TEC制冷器后輸出電壓，溫度與熱敏電阻阻值的關系。
3 結 語
本文給出了一種新型的LED有源溫控系統的設計，使用降壓型LED驅動器作為TEC制冷器的驅動電源，同時建立基于半導體傳感器的溫控監測電路，形成一個完整的閉環控制系統，通過主動散熱的方式為大功率LED高效可靠的工作提供保證，此系統的設計經過實驗論證，證實此方法準確，有效，具有開發的價值。
參 考 文 獻
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[關鍵詞]LED 照明技術 飛機
中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0173-01
飛機安全無論在航運上還是國防上一直都是航空體系中的重點關注項目，飛機在起飛、巡航、落地的過程中需要應用到照明系統，尤其在夜間飛機起航，照明系統就是一個安全指示信號。目前在飛機照明系統中的外部系統LED照明是使用效果最好的，在光照強度、使用壽命、節能上都能要到必備要求。
一、照明系統技術現狀及發展分析
（一）飛機照明系統技術現狀分析
飛機的照明系統在分類上分為內部照明系統和外部照明系統兩種，外部照明系統是關鍵，主要采用的是疝氣燈、白熾燈等光源。由于照明技術在飛機設計時需求不同，所運用到的技術也存在差異，使用過程中仍有缺陷。通常飛機的探冰燈、航行燈用的是鹵素燈和白熾燈設計，在好天氣里航行基本上燈光照明技術是合適的，而遇到惡劣天氣或者氣層強大的氣流沖擊容易發生顛簸，持久、劇烈的顛簸導致內燈斷裂照明系統損壞影響照明引發安全隱患，因此此類的照明技術還需要改進。
HID燈放光效率好，強度也夠高，能夠滿足標志燈、著陸/滑行燈等高要求燈光強度，同時也存在著反應速度慢、使用壽命短的缺點。HID的光線傳送需要一定的時間后才能實現穩定的照明，對緊急降落等突發狀況的飛機航行狀況是非常大的隱患，必須有足夠的時間HID照明系統才能引導安全的緊急降落。壽命短的缺點注定需要安排專業技術人員定期檢查、更換，在人力、物力等成本上增加不少壓力。
此外，疝氣燈用在頻閃燈和防撞燈上也存在缺陷。疝氣燈在光線強度也非常好，但是在啟動時易引起電磁干擾的現象出現，沖擊飛機的應用系統，造成系統系數不穩定甚至指示錯誤，對飛機的安全性造成很大的影響。
（二）LED照明技術的發展分析
當今時代環保節能已經成為潮流，國家注重環保節能、和諧社會的發展，LED照明技術就有著這樣的優勢，同時在光源強度上也說照明領域的新變革。LED照明的核心發光器是半導體材料發光二極管，發出大功率的白光，提高照明度。Gerr實驗室數據顯示LDE燈發光率高達1201m/W以上，被廣泛用于個領域，比如：景觀照明、汽車照明、飛機照明、電視電腦等。LED照明技術的發展非常迅速，成為應用趨勢，可以改善飛機照明系統大部門存在的缺陷，為飛機的航行安全提供穩定的照明保障。
二、LED在飛機照明系統的應用
（一）能夠滿足相應速度快要求
飛機照明系統中頻閃燈、防撞燈等需要一定速度的閃光頻率，傳統用疝氣燈做頻閃燈、防撞燈，閃光頻率對其傷害大且影響使用壽命，而LED燈響應時間處于納秒級別，可以應用脈寬調制方式驅動，不但對燈影響不大，還能實現燈光強度的隨意控制。飛機在運行過程中受到很多因素影響，需要對燈具的使用要求嚴格，新型LED照明技術能夠實現。
（二）延長使用壽命，減少更換頻率
鹵素燈、HID等的使用壽命約在2500h左右，LED燈核心發光器主要是半導體材料二極管，半導體材料的使用壽命一般在10萬h以上，LED燈也可以達到2萬h以上，因此在飛機照明系統的應用上大大提高了使用的可靠度，使用時間長維修次數降低，更換的頻率也降低，即使在惡劣的天氣環境中也具有一定的抵抗能力。
（三）燈光顏色可調控，顯色性能好
飛機外部照明系統需要根據外界環境的變化以及飛機在運行中處于的階段不同進行顏色的調和，比如在高空和降落的顏色區別，燈光顏色代表不同的飛行語言；內部照明燈設計目的在于提高旅客的舒適度，需要根據陽光曝光率適時調整。在傳統的照明技術中，很難實現內外照明系統技術要求，對于LED照明系統而言是很容易實現，能夠根據環境實現自動的顏色調和，減少信號燈在顏色調節上不顯色造成信號傳遞錯誤的現象，確保飛機在運行中的安全，提高安全力度。
（四）節能高效，安全性強
在傳統的飛機照明系統中，鹵素燈發光效率在17-331m/W范圍，HID燈發光效率在40-1001m/W范圍，疝氣燈也與HID燈發光效率不相上下，此類照明系統在飛機的運行中需要的發光效率還存在一定距離。LED燈發光效率可到1200m/W，甚至2830m/W，而且在科技不斷進步，發光效率的空間還有提升的空間。
飛機運行環境存在電磁感應，會造成一定的干擾，在運行中必須避免電磁感應的影響，LED技術的恒流源不會產生電磁感應，避免了干擾，使用起來更加安全。倘若飛機在運行過程中遇到惡劣天氣或者強大氣流，LED照明技術可以在惡劣環境下保持平穩應用，降低傳統照明技術帶來的誤差，避免火災隱患，確保飛機運行安全。
（五）增強乘客旅程幸福指數
乘客登機后，視覺上將被引導進入一個更大的、更舒暢的機艙。當乘客仰望時，將看到一個提升他們對空間感知度的模擬天空，而弧形空間會在飛機內經過仔細選擇的位置不斷出現，從而給乘客一種身處相應空間的感覺，“天空”效果在飛機過道上不斷出現，著名的波音公司在波音787上運用LED技術設計在飛機照明系統上，帶來乘車這番感受。因此，LED照明技術可以在飛機照明系統中利用陣列形式在整個飛行過程中，可以改變“天空”的色彩和亮度，增強乘客的舒適感，提高乘客旅途的幸福指數。
三、結束語
LED照明技術不斷進步，逐漸取代傳統照明技術，被廣泛運用于交通、生活娛樂、航空等領域。飛機逐漸擺脫過往高端的地位，成為人們出行的重要交通工具，航線遍布全球，航班次數越來越多，對飛機的安全和服務需要也越來越高，LED照明技術在飛機照明系統中的應用在不斷進步、完善，提高飛機的安全性，實現環保及能源效用最大化。
參考文獻
關鍵詞：瓦斯 濃度 檢測
0 引言
由于我國經濟的迅速發展，對能源的需求急劇增大，根據統計我國能源需求的70%來源于煤炭【1】，因此煤炭生產在我國的能源供應結構中起到了中流砥柱的作用。煤礦的安全生產一直是困擾各地政府和煤礦生產人員的一個重大問題，其中由瓦斯引起的爆炸對煤礦安全生產的威脅最大。瓦斯爆炸事故嚴重危害了礦工的生命以及國家的財產安全，同時還可能會帶來惡劣的社會影響，是煤礦安全生產的重大隱患。
近年來，我國由于瓦斯爆炸所造成的煤礦生產安全問題不斷發生。2009年11月21日，黑龍江鶴崗新興煤礦爆炸，死亡108人。2012年2月3日15時左右，四川省宜賓市筠連縣釣魚臺煤礦井下發生一起瓦斯爆炸事故，造成13人死亡，8人受傷。2012年2月14日15時30分左右，新疆昌吉州瑪納斯縣興達煤礦井下發生了一起瓦斯爆炸事故，造成8人死亡。2012年5月15日18時40分左右，位于新疆自治區塔城地區烏蘇市的農七師新疆準南煤礦所屬托力拜勒勘探區（平硐），在探巷施工過程中發生一起瓦斯爆炸事故，造成6人死亡。同年8月13日6時許，吉林省白山市吉盛煤礦一井發生瓦斯事故，造成18人死亡。因此預防瓦斯事故是煤礦安全生產的重中之重。
瓦斯爆炸的主要原因是甲烷與氧氣的比例達到一定界限并且存在著火源點，比如氣電性火源，沖擊性火源以及化學性火源【2】。采用高效的瓦斯氣體濃度檢測手段，實施監測礦井內的瓦斯濃度，對于預防瓦斯爆炸事故，盡量避免或者減少生命財產損失，具有極其重要的意義。
1 常用的瓦斯檢測技術
目前被廣泛應用于煤礦安全生產的瓦斯檢測技術主要有半導體氣敏法、載體催化法、熱導型檢測法以及光干涉法等。
1.1 半導體氣敏法
半導體氣敏法【3】是采用氧化物半導體作為基本的吸附材料，瓦斯氣體吸附在半導體材料表面引起半導體材料的電導率等電學特性產生變化，通過對這些電學特性信號的收集來達到檢測瓦斯氣體濃度的目的。目前常用的氧化物半導體有：氧化鋅、氧化錫、氧化鎂、氧化鈷等。半導體氣敏傳感器的優點是：壽命長、結構簡單、耗能少。缺點是：選擇性差，受水蒸氣的影響比較嚴重，通過添加某些材料或者改變反應溫度雖然可以提高它的選擇性，但作用不是很難明顯，而且由于其測量范圍窄，檢測可燃性氣體濃度的精度性差，目前在煤礦開采中較少使用。
1.2 載體催化法
催化燃燒型瓦斯檢測儀的檢測原理為【4】：利用敏感元件（俗稱黑白元件）對瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上發生無火焰燃燒，釋放出熱量使元件溫度上升，增加敏感元件鉑絲的電阻值。通過下圖所示的惠斯登電橋測量電路（見圖1），可以測量其敏感元件電阻值變化量。
1942年美國就成功制造了世界上最早的催化型瓦斯檢測技術，稱為VCC瓦斯測量儀，所采用的催化材料為純鉑絲；隨后，日本在銅絲元件上加上涂有催化劑的載體小珠制成世界上最早的載體催化元件；1960年后，世界上大部分工業發達國家，都把研制催化型儀器【5】作為瓦斯檢測的主要發展方向。目前，波蘭、英國等國家依然主要采用催化型檢測技術作為其瓦斯濃度的主要檢測技術。
載體催化法具有精度高，成本低廉等優點，在包括我國在內的許多國家的煤礦生產中廣泛應用，但是也存在著零點漂移以及穩定性不夠等缺點。
1.3 熱導型檢測法
熱導型檢測法【6】的原理是利用甲烷氣體與空氣熱導率不同來檢測甲烷氣體，并得到甲烷的濃度數據。由于甲烷氣體與空氣熱導率差距較大，因此當甲烷氣體濃度較高時，該方法檢測精度較高，而當甲烷濃度較低（小于5%）時，熱導率變化幅度很小，很難被檢測到，因此該方法僅適用于高甲烷濃度的檢測，通常與催化型檢測方法聯合使用。
1.4 光干涉法
光干涉瓦斯檢測儀【7】是利用光在不同空氣中的折射率不同的光學原理，通過測量不同瓦斯含量的空氣與不含瓦斯空氣的折射率的變化來確定瓦斯濃度。同一光源發出的兩束光分別經過充有標準氣樣的參考氣室和充有待測氣體的測量氣室，相遇時兩束光將會產生干涉條紋，待測氣體的濃度不同，干涉條紋的位置就不同，根據干涉條紋的不同位置，即可測定氣體的濃度。它的優點是精度高，使用壽命長等，但是由于溫度、濕度以及壓力等外部因素都會影響氣體的折射率，因此光干涉法對環境要求較高。
2 國內外研究現狀
由于傳統的瓦斯氣體檢測方法都存在各種各樣的限制和不足，因此需要研發一些新型的瓦斯檢測技術。目前研究的熱點主要集中在紅外光譜法和氣相色譜法等。
2.1 紅外光譜法
紅外光譜法的原理【8】是根據不同氣體在光譜作用下由于分子結構以及鍵能不同而表現出不同的吸收峰，通過收集吸收峰的波長以及吸收強度可以計算出空氣中甲烷或者其他氣體的濃度。紅外甲烷檢測設備是利用甲烷在1.33μm以及1.66μm處附近所產生的強烈吸收峰來檢測甲烷氣體，而空氣中的水蒸氣以及二氧化碳等氣體在此處均無吸收峰，因此可以精確測量甲烷氣體的濃度，光信號傳輸主要依靠光纖。它的優點在于響應速度快、測量精度高、不受雜質氣體干擾以及無零點漂移困擾等。
1978年，日本Tohoku大學的Inaba.Humio等人首先提出了光譜吸收法，通過光纖傳輸光信號，進行了長距離的大氣污染監測。1986年，K.ehan和H.Ito等人采用InGaAs材料的LED作為光源，針對甲烷氣體在1.66μm處的吸收峰，檢測了甲烷氣體的濃度，配合窄帶干涉濾光片，系統的靈敏度提高了一倍。2006年，俄羅斯科學研究院物理研究所報道了采用單頻激光，進行甲烷氣體在1.66um處的吸收實驗。2008年，GrawfordMassie報道了便攜式瓦斯光學傳感器，選擇的是1.66um處的吸收譜線。
我國在利用紅外光譜法檢測瓦斯氣體濃度方面起步較晚，從上世紀80年代末期才開始。2002年，吉林大學的王一丁教授設計了具有新型光路和電路結構的便攜式紅外瓦斯氣體檢測儀。近年來，安徽光機所在光譜吸收氣體方面做過許多研究，比如采用激光遠程吸收和波長調制技術相結合的方法，實現了瓦斯氣體濃度的檢測。
2.2 氣相色譜法
氣相色譜法主要是利用物質的沸點、極性及吸附性質的差異來實現混合物的分離。待分析樣品在氣化室氣化后被惰性氣體（即載氣，也叫流動相）帶入色譜柱，柱內含有液體或者固體固定相，由于樣品中各組分的沸點、極性或吸附性能的不同，每種組分都傾向于在流動相和固定相之間形成分配或吸附平衡。但是由于載氣是流動的，這種平衡實際上很難建立起來，也正是由于載氣的流動，使樣品組分在運動中進行反復多次的分配或吸附/解吸，結果導致較難吸附的組分隨著載氣較快地向前移動而先流出色譜柱，而較易吸附的組分移動較慢，后流出色譜柱。當組分流出色譜柱后，立即進入檢測器，檢測器能夠將樣品組分的存在與否并轉變為電信號，而電信號的大小與被測組分的量或濃度成比例。當將這些信號放大并記錄下來時，就形成了色譜圖，它包含了色譜的全部原始信息。在沒有組分流出時，色譜圖記錄的是檢測器的本底信號，即色譜圖的基線。
氣相色譜法具有效能高、選擇性高、靈敏度高、分析速度快、應用范圍廣等優點， 但儀器比較笨重，實時性難以保證。
色譜法是最早被俄國科學家茨維特在分離并研究植物色素時所發明的一種檢測的手段。直到上世紀80年代才逐漸被應用于瓦斯氣體以及煤裂解氣的分離與檢測。
1981年Gangwal等人利用氣相色譜法對煤裂解氣的成分進行了分離與檢測，2008年Grazyna等人利用氣相色譜法分離出了煤礦氣體中的一氧化碳和甲烷；2011年Zubkova等人報道了通過氣相色譜法對煤裂解氣中的各項成分進行了分離并測定了其濃度。國內最早在1989年報道了利用氣相色譜法分離并測定了煤礦氣體樣本中的瓦斯濃度【9】。
3 展望
瓦斯濃度的檢測是煤礦開采領域的重大安全課題，目前所擁有的瓦斯檢測技術難以滿足在各種條件下對瓦斯濃度進行檢測，瓦斯濃度檢測技術還有待完善，在提高檢測響應速度以及精度的基礎上，還需要在便攜性、實時性、智能化和網絡化等方面做出努力。
提高檢測設備的便攜性就是要實現設備的微型化，隨著微電子工藝和微機系統的快速發展，瓦斯檢測設備已經有了向微型化和智能化方向發展的趨勢，并且具有自動補償功能、自計算和處理功能以及自診斷功能的微型瓦斯檢測設備有望在不久的將來在煤礦生產中得到廣泛的應用。同時，還應在瓦斯檢測設備上配備網絡接口，以實現遠程實時監控并隨時儲存檢測數據以備研究。
另外，集成化、多功能化、微功耗無源化、高精度和高可靠性都是研究傳感器的熱門課題。
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[關鍵詞]大壩 安全監測 傳感器
中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0381-01
大壩是一個復雜的建筑工程，其需要投入大量的資金與人力，當然其產生的功效也十分巨大，其過程中一個細微的失誤都會造成今后巨大的隱患，因此大壩工程的安全監測至關重要，其隨時掌握大壩工程的施工狀態，從而確保工程質量水平。
一、 傳感器的研究發展
傳感器是將物理量、化學量或生物量轉化為電信號的器件，其輸出有電壓、電流、頻率等形式的信號。目前傳感器是向微型化、智能化、多功能化、綜合化和網絡化的方向發展，傳感器的發展主要體現在以下幾個方面：一是利用新現象。傳感器的發展需要不斷發現新現象，并加以利用，是研究傳感器的重要內容;例如高溫超導磁性傳感器，，其靈敏度僅次于超導量子干涉器件，但是其制作工藝遠簡易于超導量子;二是利用新材料。傳感器技術對新材料的研發是其主要內容之一，研究新型傳感器。例如光導纖維能材料制作壓力、流量、溫度等多種傳感器;三是利用微機機械加工技術。利用半導體氧化、光刻、擴散等加工技術制作傳感器，例如硅微傳感器就是利用半導體加工技術制成;四是集成傳感器。集成傳感器突破傳統傳感器的功能，將輔助電路集成，使其具有校準、補償或網絡通訊等輔助功能;五是智能化傳感器。智能化傳感器是微型處理器與傳感器的有機結合，使傳感器具有檢測、判斷和信息處理功能。
二、 大壩安全監測的現狀以及發展
目前我國大壩監測主要包括大壩變形監測和大壩滲流監測倆方面的內容，變形監測包括表面變形、內部變形、裂縫和岸坡位移等;滲流監測包括滲流壓力、滲流量及浸潤線等;壓力監測包括孔隙水壓力、土壓力、揚壓力、混凝土應力等。隨著科學技術的進步，大壩安全檢測技術也逐漸向一體化、智能化的方向發展，利用分布式結構、智能節點技術、遙測遙控技術、工業控制技術、網絡通訊技術和計算機技術等綜合技術，建立完善的大壩安全檢測預警系統，從而實現大壩變化狀況的實施監控。
三、 傳感器在大壩監測中的應用
1. 傳感器在大壩變形監測中的應用
大壩變形主要指大壩整體或局部位置隨著時間的流逝而發生一定程度的變化，其監測方法主要分為水平位移監測和垂直位移監測，目前我國工程中主要采用新型步進式變形監測儀STC-50型坐標儀或SWT50型引張線遙測儀，并且還出現GPS水平位移監測或垂直位移監測自動化技術。我們以引線張遙測技術和GPS技術為例簡要介紹傳感器在變形監測中的應用。
引線張遙測技術測量壩體的水平位移，其設備具有設備簡單、測量便捷、效率高、成本低等優勢，其被廣泛應用于我國大壩安全監測體系中。隨著自動化技術的發展與應用，引線張遙測技術引進自動化技術，如電容感應式引張線儀、CCD式引張線儀等。但是該技術不適合溫度變化幅度大的北方，其技術已經被真空激光準取代。
GPS技術具有體積小、測量精度高、實時監測、自動化檢測等優勢，并且該技術不易受到外部環境的影響，例如溫度、濕度、粉塵等因素，因此該技術十分受到野外工作者的歡迎。GPS技術在工作過程具有很強的抗干擾能力、較高的監測精度和處理數據水平，能夠實現3D變形，其除了監測大壩變形的功效外，還具有防洪減災的作用。
2. 傳感器在大壩滲流監測的應用
滲流是大壩事故的主要原因之一，滲流也是大壩安全監測的重要內容，其中凝土土壩滲流監測主要包括揚壓力和滲流量監測兩個方面，傳感器在大壩滲流監測中起到重要作用。例如壓阻傳感器的應用，壓阻傳感器利用硅半導體材料制成做成敏感元件，由于壓阻效應，該半導體電阻可以在水體下測量水壓變化，該電阻具有高靈敏度、高分辨率、體積小等優勢，廣泛應用于大壩安全監測工程中。
3. 磁致伸縮傳感器在大壩監測中的應用
磁致伸縮傳感器的核心材料是帖鎳合金材料，利用磁致伸縮現象，鐵鎳合金的相交點產生應變脈沖，磁致伸縮傳感器在大壩監測中的應用主要體現在以下三個方面：一是大壩整移監測的應用。首先是確定大壩兩側相對大地靜止的參考點，兩點鏈接為參考線，也是大壩整移的參照物。利用磁致伸縮位移傳感器測量兩者的相對位移，磁致伸縮傳感器固定在箱子內，參考線套管，確保其不受外界的干擾的前提下，套入磁環，但是磁環與參考線不接觸。大壩移動時，磁環的相對測桿發生位移，傳感器立即加工該信號傳遞給控制室，檢測人員可以隨時掌握大壩位移的狀態;二是大壩裂縫監測的應用。大壩是由壩柱和水泥墻組合而成，大壩的樁與水泥墻的地基差較大，經過時間的摧殘，水泥墻與壩柱之間會形成一定的裂縫。監測大壩裂縫應用中磁致伸縮傳感器放置于大壩內部通道，根據實際情況，一個通道可以安裝多個傳感器進行監測。磁環固定在水泥墻上，傳感器固定在壩柱上，發生裂縫時，磁環根據水泥墻發生位移，傳感器立即將磁環位移的新位置傳遞給控制室，為監測人員提供最新數據。因為大壩裂縫的位移十分微小，并且該變化也是十分緩慢的過程，磁致伸縮傳感器可以十分精確裂縫的狀況。;四是大壩滲流監測的應用。大壩滲流現象是造成大壩事故的主要原因，因此滲流現象是大壩安全監測的重點內容。水庫的建立對壩體、壩肩和基石造成一定的負擔，特別是大壩蓄水產生水壓荷載，在上下游水位差的作用下造成滲流。
結束語：
綜上所述，傳感器技術的進步是推動大壩安全監測先進水平的主要動力之一，我們主要從大壩變形監測和滲流監測兩方面的內容簡述傳感器在大壩監測系統中的應用，并且以磁致伸縮傳感器的具體應用為例實際分析傳感器在大壩安全監測中的應用，推動大壩安全監測系統和傳感器向一體化、自動化、微型化、智能化、網絡化等先進方向發展，從而進一步推動我國大壩工程的施工水平。
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【關鍵詞】微電子工藝;應用型創新人才;混合式立體化教學;教學模式
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)01―0077―05
一 《微電子工藝》課程教學中的問題與結癥
《微電子工藝》(以下簡稱《工藝》)是當前高校電子科學與技術專業的一門專業核心課程。主要介紹半導體器件和半導體集成電路制造工藝及其基本原理,其目標是培養熟知國內外先進微電子關鍵工藝,并具有一定工藝設計、分析以及解決工藝實際問題能力的應用型創新人才。這一目標的實現直接取決于該課程的教學效果。但當前《工藝》課程教學過程中仍存在諸多問題,教學效果不佳,主要體現在:教材陳舊,難以適應工藝新技術的發展與教學的要求;教學內容信息量大,在教學時間短、內容多的情況下,教師難以合理安排教學進度;教學方法單一,理論聯系實際不緊密,課堂教學主要采用“變了相的黑板+粉筆式”,即將紙質課本單純的復制粘貼到PPT上,制成電子版的“課本”,不利于學生課堂積極性的提高與創造性的發揮;教評形式單一,忽略了實習實踐教學,致使大多數學生對于實習實踐學習積極性不高,只是靠考前突擊、死記硬背書本知識的復習方式來應付考試。由此可見,教學內容、方法、評價等這一系列問題的背后,實質上是目前課程教學模式的不盡合理。因此,改革《工藝》課程教學,探索與提煉新的教學模式是關鍵。經過反復的實踐與總結,基于對松綁教育與整合教學理論的理解與分析,以培養應用型創新人才為目標,嘗試性的提出“混合式立體化”教學模式作為該課程教學改革的突破口,以此全面改革《工藝》課程教學。
二 “混合式立體化”教學模式的理論基礎與內涵
“混合式立體化”教學模式是針對當前《工藝》課程教學中存在的諸多問題而提出的有效應對策略,也是培養應用型創新人才的總體方針。該模式主要以松綁教育理論和整合教學理論為基礎,融入混合式學習之優點,特別強調教學模式的靈活性和綜合運用。
1 理論基礎――松綁教育與整合教學理論
(1) 松綁教育理論
松綁教育(Liberation Education)是20世紀60年代末保羅•法雷爾在《Pedagogy of the Oppressed》中首先提出的概念。其核心理念是,教育應該是一個解開束縛的過程,教學過程應該是師生共同參與的、動態的、雙向的信息傳播過程,而不是照本宣科的、單向的知識傳遞[1]。松綁教育建立在建構主義的理論基礎上,首先,強調人在認知過程中的主觀能動性,強調教學過程中沒有絕對的教與學的角色,教學過程實質上是師生共同參與的認知過程,即教學過程是一個雙主體的過程。其次,強調教學過程是一個雙向的信息傳播過程,而不是單向的知識傳授過程。再次,松綁教育是以解除學生內在的和外在的束縛為目標的教育。
(2) 整合教學理論
整合教學是隨著網絡技術的發展及其在教學中的應用而發展起來的,指面對面教學和電化教學的融合。整合教學的目的在于有效地綜合運用各種信息傳播技術、教育模式和教學方法,適應學生多元化需求,促進學生多元化學習。[2]
上述兩種教學理論對課程教學改革的啟示在于:第一,強調環境與社會背景對學習的意義;第二,提倡以人為本,自發學習,反對壓迫束縛式學習;第三,認為教育應該以發展學生思維創新意識和實際應用能力為目標;由此可見,以松綁教育與整合教學理論為指導來構建新的課程教學模式,其目的就是要解除外部環境對學生的束縛與壓迫,充分調動學生的學習積極性和主動性,培養學生的思維創新意識和實際應用能力,把僵化刻板的課堂教學變為師生互動的充滿活力的教學過程、探索過程和育人過程。
2 “混合式立體化教學模式”的內涵
“混合式立體化”教學模式,是相對于以傳統單向知識傳授為主的教學模式提出的,它是以課程為單元,以能力培養為軸心,以教學資源為平臺,動用所有教學要素,立體化、全方位地融教學與學習為一體,關注應用與創新的教學體系。它以辯證唯物主義認識論為指導,充分考慮學習者的心理結構,將教學結構與心理結構和諧統一。
本研究認為,“混合式立體化”教學模式是一種以學生為中心,以解除壓迫和束縛為前提,以整合多種教學資源為手段,以培養應用型創新人才為目標,在松綁教育與整合教學兩種理念設計與指導下,配以混合的教學方式、多元的教學評價而形成的一種新型教學模式。該模式在計算機網絡與多媒體的支持下,優勢將更加突出。《工藝》課程的“混合式立體化”教學模式由課堂教學、網絡教學、實踐教學三部分組成,再配以多種教學方式和教學手段(如圖1和圖2所示)。在實際教學中,我們在三者之間的課時分配上是課堂教學:網絡教學:實踐教學=1:l:1,如條件不允許,至少保證課堂教學:(網絡教學+實踐教學)=1:1.5。[3]
三 “混合式立體化”教學模式在《工藝》課程教學中的運用
“混合式立體化”教學模式在《工藝》課程教學改革中發揮了應有的作用,針對《工藝》課程的特點,我們從以下幾方面來探討該模式的具體應用。
1 混合式的課堂教學
在《工藝》課堂教學中,涉及到大量的工藝流程和工藝實施后的硅片剖面圖,光靠傳統紙質的平面圖是無法給學生講解透徹的。鑒于此,我們在該門課程的PPT中加入了豐富的多媒體資料庫,利用庫中大量二維和三維的多媒體圖片、視頻來展示和講解復雜的工藝構造過程。同時,我們采用了視頻關鍵幀技術(關鍵幀――相當于二維動畫中的原畫,指角色或者物體運動或變化中的關鍵動作所處的那一幀),將一段完整的視頻按關鍵幀進行劃分,截取成多段可只播放關鍵幀部分的視頻。這樣教師在課堂教學中可以自主的選擇播放關鍵幀部分,大大提高了知識點的針對性和課堂的教學效率。例如:在講授“晶圓制備的全過程”這一知識點時,我們將其分為三個關鍵幀視頻段,即“晶圓制備的全過程”視頻段、“表面拋光”視頻段和“最終著色” 視頻段。教師可以先播放“晶圓制備的全過程”視頻段,使學生對整個制備過程有個大致了解,然后再選擇播放關鍵幀所在的“表面拋光”或“最終著色”視頻段,對制備過程中的關鍵操作部分給學生進行分步強化講解,使學生能夠將這一知識點從整體到局部,從籠統到精細,完全透徹地了解并掌握(如圖3所示)。
與傳統課堂教學相比,這種混合式的課堂教學優勢在于加入了豐富的多媒體資料,使抽象的知識形象化,獲得直觀、豐富、生動的教學效果,有助于在教學中突出重點、分散難點,具有良好的強化效果和整體效應,便于更好地組織教學內容,促進學生對知識的理解和掌握;對于一些理論性強、概念抽象、工藝流程復雜的內容,可以起到事半功倍的效果;同時,有效地增大了課堂信息量,使學生在有限的時間內學到更多的知識,獲得更充足的信息,很大程度上解決了內容多課時少的狀況。
2 開放式的網絡平臺自主、協作學習
在網絡教學平臺中,教師與學生、學生與學生之間形成學伴關系,學生可以利用網絡學習平臺建立自己的學習檔案,上傳自己的學習作品,形式可以是文本、音頻、視頻、圖像等,學生的創新潛能得到了充分的肯定和發揮;同時,鼓勵學生進行網上自主學習和小組協作式學習,如給每組學生布置2―3個與微電子工藝動態與前沿相關的課題,讓學生課后到Internet上查閱、整理資料,寫成專題小論文,由教師或學生組織開設專題小論壇,進行組內或組間的相互討論,每一專題還可請一到兩位感興趣的同學制作PPT在課堂上給大家講解。這種方式解除了傳統課堂“以教為主”對于學生的束縛和壓迫,突出教學是一個雙向學習的過程,同時延伸了課堂時間和空間,使學生由課堂上的被動聽講轉變為課后的主動學習和消化。這樣一方面培養學生通過Internet進行自主學習和小組協作學習的習慣,提高了網上查閱、整理資料的能力,并在不斷查閱資料中積累、豐富了專業知識。另一方面,“師”與“生”換位,可以使學生體會到老師備課、上課的艱辛與不易,有助于鞭策學生更加認真聽講。
3 立體化的實習實踐教學
根據《工藝》課程實際情況,將課堂教學與課程實驗、社會實踐相結合,理論聯系實際。我們開設了最基本的半導體平面工藝實驗,如氧化、擴散、光刻、淀積(或蒸發)。實驗要求每組學生用拋光硅片,通過氧化、光刻、擴散、蒸鋁等工序制備晶體管,測試分析其放大特性和擊穿特性,并對工藝環境和成品率進行分析和評價。其實驗內容涉及固體物理,半導體物理,晶體管原理,微電子工藝原理,半導體材料等課程的相關知識,是一個典型的綜合性、研究型實驗。通過實驗教學,既培養了學生的實際動手能力,又使學生掌握了科學的分析問題的方法,加深了對半導體平面工藝技術和原理的理解,激發了學生的學習興趣。另一方面,鼓勵學生參加科研項目,安排學生暑期到半導體生產基地觀摩、實習,了解硅片制備和芯片制造工藝過程。也可以讓學生利用半導體器件和微電子工藝知識,使用實驗室的MATLAB、Medici和ISE軟件仿真設計半導體器件和半導體IC設計工藝流程,并采用Tsuprem工藝軟件仿真驗證,從而鞏固所學理論知識,熟悉設計半導體IC的流程。
4 多元化的過程性評價
為了更合理科學地考核學生,我們建立了多元化的考試評價體系,該評價體系打破了以往以期末考試成績為主的成績評定方法,經過了多年的實踐與完善,我們為該課程確立了多方面的考核因素和成績計算公式:總評成績=作業(30%)+實踐作品(15%)+期末考試(45%)+考勤(10%) [4]。這種多維度、過程性的成績評定方法,強調了學習的積累與構建過程,消除了學生重理論輕實踐,考前死記硬背應付考試的弊病。
四 “混合式立體化”教學模式的應用效果分析
“混合式立體化”教學模式與傳統的教學模式有著明顯的區別(如表1所示),我校自實施以來,《工藝》課程教學深受學生們的歡迎,教學效果明顯,特別是學生的創新意識和實踐動手能力有了顯著提高。我校教務處對近三年來電科專業(國家級大學生創新性實驗計劃)SIT申報立項與獲獎情況及畢業生在國家級、省級重點企事業單位的就業率進行了抽樣調查,具體結果如表2和表3所示:
此外,我校已將《工藝》課程教學改革立項為校級重點教學改革項目,對于所需資金和硬件設施給予全力支持,所得成效在本校產生了較大影響,成為湖南大學電科類專業課程改革的先驅。
五 結論
在《工藝》課程教學中運用“混合式立體化”教學模式,突破了傳統單向死板的以知識傳授為主的教學模式,為學習者提供了一個圖文聲像并茂、形象直觀的交互界面,還為其提供了符合人類聯想思維與聯想記憶特點的、按超文本結構組織的大規模知識庫與媒體庫,對于提高學習者的創新意識和實踐動手能力創造了有利的條件,實現了課堂教學過程的最優化和教學質量的提高。然而,“混合式立體化”教學模式在形成時就包含有一定的預測性、設計性和不完善性,我們只有堅持在實踐中不斷地改革與探索,經歷一個“適應―調整―完善―升華”的實踐探索過程,才能將其逐步趨于完善,使其在培養微電子工藝應用型創新人才的過程中發揮巨大的作用。
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一、信息科技與現代通信
信息技術涵蓋信息的采集、變換、存儲、處理、傳送、接收和再現。電子學研究電子的運動、電磁波的傳播和它們之間的相互作用。建立在麥克斯韋電磁理論基礎上的電子學,是當代信息技術最主要的手段。1887年德國物理學家赫茲發現電磁波及1897年英國物理學家湯姆孫發現電子,標志著電子學的開端。在赫茲實驗的基礎上,1895年意大利科學家馬可尼進行了2.5公里的無線電報傳送實驗。1901年跨越大西洋3200公里的無線電報實驗獲得成功,這是遠程通信的一件劃時代的大事。此后,人類陸續發明了無線電廣播、電視等。
第一代電子器件電子管,建立在熱電子發射的基礎上。1904年,英國物理學家弗萊明發明二極管;1906年,美國的德福雷斯特發明三極管。20世紀上半葉的電子設備,如廣播電視的發射接收裝置、雷達、計算機等,全部使用電子管。
1947年肖克利、巴丁、布拉坦發明了晶體管。晶體管使電子設備具有省電、小型化、可靠性高的優點,開辟了電子學的新時代。
物理學最新成果的大量采用,使光通信、移動通信產業以空前的速度和規模發展。僅我國,手機用戶即已近4億。物理學的發展必將使21世紀信息技術發生飛躍。
二、材料科學與新材料
物理學是材料科學的重要基礎。量子力學、凝聚態物理學,特別是固體物理學和能帶理論極大地推動了材料科學的發展。現代物理學的發展,導致了諸如半導體材料、光電材料、超導材料、復合功能材料、納米材料、軟物質材料等大量具有獨特性能的新材料出現,并將不斷地為研制新型材料、改善材料性能提供新的理論和實驗手段。
人工晶體用人工方法生長的單晶體在激光產生、非線性光學、光探測、輻射探測、換能器等方面都有重要應用。我國在這一領域具有一定優勢。
三、物理學手段與現代醫學
物理學手段在現代醫學中得到廣泛應用,它們既用于診斷——x射線透視、B超、計算機斷層成像即CT、磁共振成像即HRI,又用于治療——超聲波粉碎結石、激光手術、伽瑪刀。
四、計量與全球定位系統GPS
計時標準:從觀測天體到使用各種物理方法,人類計時精度不斷提高。
全球定位系統GPS,由24顆均勻分布在6個軌道平面內的衛星組成,衛星上安裝了高精度的原子鐘。衛星高度2萬公里。它是一個全天候的自動定位和導航系統,通過接收GPS衛星發射的時間—頻率信號,判斷和計算接收者的位置。經過廣義相對論修正(時鐘快慢隨引力場強度而變)的GPS精度可在1米以內。現在的GPS系統已可裝備到家用汽車上。
五、物理學與激光技術
1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念,奠定了激光的理論基礎。1958年美國科學家肖洛和湯斯發現了一種奇怪的現象:當他們將閃光燈泡所發射的光照在一種稀土晶體上時,晶體的分子會發出鮮艷的、始終會聚在一起的強光。由此他們提出了“激光原理”,受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。1958年,貝爾實驗室的湯斯和肖洛發表了關于激光器的經典論文,奠定了激光發展的基礎。1960年,美國人梅曼(T.H.Maiman)發明了世界上第一臺紅寶石激光器。梅曼利用紅寶石晶體做發光材料,用發光度很高的脈沖氙燈做激發光源,獲得了人類有史以來的第一束激光。1965年,第一臺可產生大功率激光的器件——二氧化碳激光器誕生。1967年,第一臺X射線激光器研制成功。1997年,美國麻省理工學院的研究人員研制出第一臺原子激光器。
六、物理學與國家安全
現代戰爭是高科技的戰爭,物理學在國防現代化中起著核心的作用。核武器是釋放核能的大規模殺傷性武器。1945年美國首先制成原子彈,并投放到日本的廣島和長崎。為了對抗核訛詐,1964年我國成功試爆了第一顆原子彈,1967年成功試爆了第一顆氫彈。研制“兩彈一星”的23位功勛科學家中有13位物理學家。
1、各國競相出臺納米科技發展戰略和計劃
由于納米技術對國家未來經濟、社會發展及國防安全具有重要意義，世界各國（地區）紛紛將納米技術的研發作為21世紀技術創新的主要驅動器，相繼制定了發展戰略和計劃，以指導和推進本國納米科技的發展。目前，世界上已有50多個國家制定了國家級的納米技術計劃。一些國家雖然沒有專項的納米技術計劃，但其他計劃中也往往包含了納米技術相關的研發。
（1）發達國家和地區雄心勃勃
為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術計劃（NNI），其宗旨是整合聯邦各機構的力量，加強其在開展納米尺度的科學、工程和技術開發工作方面的協調。2003年11月，美國國會又通過了《21世紀納米技術研究開發法案》，這標志著納米技術已成為聯邦的重大研發計劃，從基礎研究、應用研究到研究中心、基礎設施的建立以及人才的培養等全面展開。
日本政府將納米技術視為“日本經濟復興”的關鍵。第二期科學技術基本計劃將生命科學、信息通信、環境技術和納米技術作為4大重點研發領域，并制定了多項措施確保這些領域所需戰略資源（人才、資金、設備）的落實。之后，日本科技界較為徹底地貫徹了這一方針，積極推進從基礎性到實用性的研發，同時跨省廳重點推進能有效促進經濟發展和加強國際競爭力的研發。
歐盟在2002—2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術給予了空前的重視。該計劃將納米技術作為一個最優先的領域，有13億歐元專門用于納米技術和納米科學、以知識為基礎的多功能材料、新生產工藝和設備等方面的研究。歐盟委員會還力圖制定歐洲的納米技術戰略，目前，已確定了促進歐洲納米技術發展的5個關鍵措施：增加研發投入，形成勢頭；加強研發基礎設施；從質和量方面擴大人才資源；重視工業創新，將知識轉化為產品和服務；考慮社會因素，趨利避險。另外，包括德國、法國、愛爾蘭和英國在內的多數歐盟國家還制定了各自的納米技術研發計劃。
（2）新興工業化經濟體瞄準先機
意識到納米技術將會給人類社會帶來巨大的影響，韓國、中國臺灣等新興工業化經濟體，為了保持競爭優勢，也紛紛制定納米科技發展戰略。韓國政府2001年制定了《促進納米技術10年計劃》，2002年頒布了新的《促進納米技術開發法》，隨后的2003年又頒布了《納米技術開發實施規則》。韓國政府的政策目標是融合信息技術、生物技術和納米技術3個主要技術領域，以提升前沿技術和基礎技術的水平；到2010年10年計劃結束時，韓國納米技術研發要達到與美國和日本等領先國家的水平，進入世界前5位的行列。
中國臺灣自1999年開始，相繼制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設施建設為基礎，以追求“學術卓越”和“納米科技產業化”為目標，意在引領臺灣知識經濟的發展，建立產業競爭優勢。
（3）發展中大國奮力趕超
綜合國力和科技實力較強的發展中國家為了迎頭趕上發達國家納米科技發展的勢頭，也制定了自己的納米科技發展戰略。中國政府在2001年7月就了《國家納米科技發展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協調委員會、國家納米科學中心和納米技術專門委員會。目前正在制定中的國家中長期科技發展綱要將明確中國納米科技發展的路線圖，確定中國在目前和中長期的研發任務，以便在國家層面上進行指導與協調，集中力量、發揮優勢，爭取在幾個方面取得重要突破。鑒于未來最有可能的技術浪潮是納米技術，南非科技部正在制定一項國家納米技術戰略，可望在2005年度執行。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應用前景的納米技術的研究和開發。
2、納米科技研發投入一路攀升
納米科技已在國際間形成研發熱潮，現在無論是富裕的工業化大國還是渴望富裕的工業化中國家，都在對納米科學、技術與工程投入巨額資金，而且投資迅速增加。據歐盟2004年5月的一份報告稱，在過去10年里，世界公共投資從1997年的約4億歐元增加到了目前的30億歐元以上。私人的納米技術研究資金估計為20億歐元。這說明，全球對納米技術研發的年投資已達50億歐元。
美國的公共納米技術投資最多。在過去4年內，聯邦政府的納米技術研發經費從2000年的2.2億美元增加到2003年的7.5億美元，2005年將增加到9.82億美元。更重要的是，根據《21世紀納米技術研究開發法》，在2005～2008財年聯邦政府將對納米技術計劃投入37億美元，而且這還不包括國防部及其他部門將用于納米研發的經費。
日本目前是僅次于美國的第二大納米技術投資國。日本早在20世紀80年代就開始支持納米科學研究，近年來納米科技投入迅速增長，從2001年的4億美元激增至2003年的近8億美元，而2004年還將增長20%。
在歐洲，根據第六個框架計劃，歐盟對納米技術的資助每年約達7.5億美元，有些人估計可達9.15億美元。另有一些人估計，歐盟各國和歐盟對納米研究的總投資可能兩倍于美國，甚至更高。
中國期望今后5年內中央政府的納米技術研究支出達到2.4億美元左右；另外，地方政府也將支出2.4億～3.6億美元。中國臺灣計劃從2002～2007年在納米技術相關領域中投資6億美元，每年穩中有增，平均每年達1億美元。韓國每年的納米技術投入預計約為1.45億美元，而新加坡則達3.7億美元左右。
就納米科技人均公共支出而言，歐盟25國為2.4歐元，美國為3.7歐元，日本為6.2歐元。按照計劃，美國2006年的納米技術研發公共投資增加到人均5歐元，日本2004年增加到8歐元，因此歐盟與美日之間的差距有增大之勢。公共納米投資占GDP的比例是：歐盟為0.01%，美國為0.01%，日本為0.02%。
另外，據致力于納米技術行業研究的美國魯克斯資訊公司2004年的一份年度報告稱，很多私營企業對納米技術的投資也快速增加。美國的公司在這一領域的投入約為17億美元，占全球私營機構38億美元納米技術投資的46%。亞洲的企業將投資14億美元，占36%。歐洲的私營機構將投資6.5億美元，占17%。由于投資的快速增長，納米技術的創新時代必將到來。
3、世界各國納米科技發展各有千秋
各納米科技強國比較而言，美國雖具有一定的優勢，但現在尚無確定的贏家和輸家。
（1）在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下
根據中國科技信息研究所進行的納米論文統計結果，2000—2002年，共有40370篇納米研究論文被《2000—2002年科學引文索引（SCI）》收錄。納米研究論文數量逐年增長，且增長幅度較大，2001年和2002年的增長率分別達到了30.22%和18.26%。
2000—2002年納米研究論文，美國以較大的優勢領先于其他國家，3年累計論文數超過10000篇，幾乎占全部論文產出的30%。日本（12.76%）、德國（11.28%）、中國（10.64%）和法國（7.89%）位居其后，它們各自的論文總數都超過了3000篇。而且以上5國2000—2002年每年的納米論文產出大都超過了1000篇，是納米研究最活躍的國家，也是納米研究實力最強的國家。中國的增長幅度最為突出，2000年中國納米論文比例還落后德國2個多百分點，到2002年已經超過德國，位居世界第三位，與日本接近。
在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發表的論文數也較多，各國3年累計論文總數都超過了1000篇，且每年的論文數排位都可以進入前10名。這5個國家可以列為納米研究較活躍的國家。
另外，如果歐盟各國作為一個整體，其論文量則超過36%，高于美國的29.46%。（2）在申請納米技術發明專利方面美國獨占鰲頭
據統計：美國專利商標局2000—2002年共受理2236項關于納米技術的專利。其中最多的國家是美國（1454項），其次是日本（368項）和德國（118項）。由于專利數據來源美國專利商標局，所以美國的專利數量非常多，所占比例超過了60%。日本和德國分別以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數也較多，所占比例都超過了1%。
專利反映了研究成果實用化的能力。多數國家納米論文數與專利數所占比例的反差較大，在論文數最多的20個國家和地區中，專利數所占比例超過論文數所占比例的國家和地區只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區在納米技術研究上具備一定的實力，但比較側重于基礎研究，而實用化能力較弱。
（3）就整體而言納米科技大國各有所長
美國納米技術的應用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領域快速發展。隨著納米技術在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應用，目前美國納米研究熱點已逐步轉向醫學領域。醫學納米技術已經被列為美國國家的優先科研計劃。在納米醫學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術計劃》，目的是將納米技術、癌癥研究與分子生物醫學相結合，實現2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質在生物體內的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5～10年有望商業化。
雖然醫學納米技術正成為納米科技的新熱點，納米技術在半導體芯片領域的應用仍然引人關注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應用研究，期望突破傳統的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術是這一領域中最受關注的地方。不少科學家試圖利用化學反應來合成納米顆粒，并按照一定規則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術本來有望取代傳統光刻法制造芯片的技術。在光學新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達到幾百微米的納米導線。
日本納米技術的研究開發實力強大，某些方面處于世界領先水平，但尚未脫離基礎和應用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術的研發上，日本最重視的是應用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發出多種不同結構的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結構、富勒結構套富勒結構、納米管套富勒結構、酒杯疊酒杯狀結構等。
在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現有方法，同時積極開發新的制造技術，特別是批量生產技術。細川公司展出的低溫連續燒結設備引起關注。它能以每小時數千克的速度制造粒徑在數十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應用大學開發的新技術能把制造碳納米材料的成本減至原來的1／10，兩三年內即可進入批量生產階段。
日本高度重視開發檢測和加工技術。目前廣泛應用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高，并涌現了諸如數字式顯微鏡、內藏高級照相機顯微鏡、超高真空掃描型原子力顯微鏡等新產品。科學家村田和廣成功開發出亞微米噴墨印刷裝置，能應用于納米領域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。
日本企業、大學和研究機構積極在信息技術、生物技術等領域內為納米技術尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質及基因的結構等。不過，這些研究大都處于探索階段，成果為數不多。
歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫學材料、智能材料等方面的研究能力較強。
中國在納米材料及其應用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫學研究方面與發達國家有明顯差距。
4、納米技術產業化步伐加快
目前，納米技術產業化尚處于初期階段，但展示了巨大的商業前景。據統計：2004年全球納米技術的年產值已經達到500億美元，2010年將達到14400億美元。為此，各納米技術強國為了盡快實現納米技術的產業化，都在加緊采取措施，促進產業化進程。
美國國家科研項目管理部門的管理者們認為，美國大公司自身的納米技術基礎研究不足，導致美國在該領域的開發應用缺乏動力，因此，嘗試建立一個由多所大學與大企業組成的研究中心，希望借此使納米技術的基礎研究和應用開發緊密結合在一起。美國聯邦政府與加利福尼亞州政府一起斥巨資在洛杉礬地區建立一個“納米科技成果轉化中心”，以便及時有效地將納米科技領域的基礎研究成果應用于產業界。該中心的主要工作有兩項：一是進行納米技術基礎研究；二是與大企業合作，使最新基礎研究成果盡快實現產業化。其研究領域涉及納米計算、納米通訊、納米機械和納米電路等許多方面，其中不少研究成果將被率先應用于美國國防工業。
美國的一些大公司也正在認真探索利用納米技術改進其產品和工藝的潛力。IBM、惠普、英特爾等一些IT公司有可能在中期內取得突破，并生產出商業產品。一個由專業、商業和學術組織組成的網絡在迅速擴大，其目的是共享信息，促進聯系，加速納米技術應用。
日本企業界也加強了對納米技術的投入。關西地區已有近百家企業與16所大學及國立科研機構聯合，不久前又建立了“關西納米技術推進會議”，以大力促進本地區納米技術的研發和產業化進程；東麗、三菱、富士通等大公司更是紛紛斥巨資建立納米技術研究所，試圖將納米技術融合進各自從事的產業中。
歐盟于2003年建立納米技術工業平臺，推動納米技術在歐盟成員國的應用。歐盟委員會指出：建立納米技術工業平臺的目的是使工程師、材料學家、醫療研究人員、生物學家、物理學家和化學家能夠協同作戰，把納米技術應用到信息技術、化妝品、化學產品和運輸領域，生產出更清潔、更安全、更持久和更“聰明”的產品，同時減少能源消耗和垃圾。歐盟希望通過建立納米技術工業平臺和增加納米技術研究投資使其在納米技術方面盡快趕上美國。
本文簡要介紹了在動態位移測試中常用的霍爾元件和激光位移兩種非接觸式位移傳感器基本原理。通過對比試驗研究了它們的頻響、抗干擾能力、精度等主要特性。確定了用激光位移傳感器替代霍爾元件位移傳感器運用于結構件動響應位移測試中。
【關鍵詞】動態位移測量 霍爾元件 激光位移傳感器
1 引言
隨著航空事業的不斷發展，鳥撞試驗越來越受到航空部門的重視。飛機與飛鳥相撞過程屬高速軟體撞擊過程，最大撞擊時速可達1千多公里甚至更高，而整個撞擊過程僅為幾毫秒。位移測量必須滿足動態非接觸式高速連續測量的要求，這是一般接觸式傳感器無法滿足的。傳統采用霍爾元件位移傳感器進行鳥撞試驗中試驗件的動態位移測量，但是隨著飛機、武器裝備研制向更高精度方向發展，這種霍爾元件位移傳感器已經越來越多地暴露出精度低、量程短、易受環境干擾等缺點，已經制約了測量精度的提高，不能滿足新武器裝備的研制需要。
隨著激光測量技術的廣泛應用，激光位移傳感器因其量程大、分辨率高、抗干擾能力強、安裝定位簡單，能滿足更高的要求，也越來越多的應用于各種工業場合。并逐漸取代霍爾元件成為非接觸測量的主要技術手段。
2 霍爾元件位移傳感器原理
霍爾元件以霍爾效應為其工作基礎。如圖1所示，在半導體薄片兩端通以控制電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差為UH的霍爾電壓，它們之間的關系為
式中d為薄片的厚度，k稱為霍爾系數，它的大小與薄片的材料有關。
上述效應稱為霍爾效應，。根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。但由于霍爾元件產生的電勢差很小，故通常將霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它的輸出為模擬電壓量。
在磁場中，霍爾元件的輸出電壓隨磁場強度的改變而改變。因此，將小磁塊粘貼在被測物表面，將霍爾元件與其相隔一適當距離放置，當被測物受力發生位移而使磁塊與霍爾元件的距離發生改變時，霍爾元件的輸出電壓亦將產生變化，檢測這一電壓變化量，即可從事先標定的位移―電壓關系曲線中定量確定被測物的位移量。
3 激光位移傳感器基本原理
激光位移傳感器利用三角測量法。其最大優點是非接觸式測量。隨著激光器的誕生、光電掃描技術的發展、計算機控制和數據處理的應用，使這種傳統的方法有了新的進展和應用。
最簡單的三角位移測量系統是從光源發射一束光到被測物體表面，在另一個方向通過成像觀察反射光點的位移。由于入射和反射光構成一個三角形，所以這種方法被稱為三角測量法。激光器發出的光線，經會聚透鏡聚焦后垂直入射到被測物體的表面，物體移動或表面變化導致入射光點沿入射光軸移動。接收透鏡接受來自入射光點處的散射光，并將其成像在光點位置探測器敏感面上。但由于傳感器激光束與被測面垂直，因此只有一個準確的調焦位置，其余位置的像都處于不同程度的離焦狀態。離焦將引起像點的彌散，從而降低了系統的測量精度。為了提高精度，反射角θ1和θ2必須滿足Scheimpflug條件，即 tgθ1=βtgθ2式中，β 為橫向放大率。此時一定景深范圍內的被測點都能正焦成像在探測器上，從而保證了精度。
4 兩種傳感器性能對比分析
為了比較兩種不同原理位移傳感器的具體性能，我們選用在動響應位移測試中經常使用的霍爾元件位移傳感器，以及日本KEYENCE公司的新型LK-G400激光位移傳感器，通過對比試驗驗證了它們的主要性能。
4.1 傳感器頻響測試
將頻率為f Hz的正弦交變電壓加在一個帶有鐵芯的線圈兩端，根據法拉第電磁感應原理，線圈將產生頻率為f Hz的交變磁場。在垂直于霍爾元件的方向加以頻率f Hz的交變磁場，通過示波器檢驗輸出，若霍爾傳感器輸出頻率為f Hz的正弦電壓，幅值不發生衰減，說明其頻響為f Hz。通過試驗霍爾傳感器的頻響能達到1 MHz 。
激光位移傳感器的頻響因受傳感器激光接收器采樣率、量程范圍的影響，我們選取量程范圍為±100mm，采樣率為20us，此時頻響達到50KHz，能滿足試驗的動響應測量要求。若只考慮頻響要求，霍爾元件傳感器頻響范圍要比激光位移傳感器的頻響范圍寬。
4.2 抗干擾能力比較
選擇在同一現場環境中進行了兩種傳感器的對比試驗。同一試驗測量場合，激光位移傳感器的噪聲信號要小，其抗干擾能力比霍爾元件提高很多。傳感器附近的導磁性材質對霍爾元件的影響很大，霍爾元件位移傳感器在某些小變形測量時甚至會出現因為干擾大而無法分辨或者錯誤的測量結果。
4.3 測量精度比較
為了比較兩種傳感器的精度，將完成靜態標定的兩種位移傳感器分別接入信號采集系統，將兩種傳感器同時固定在精度為0.001mm的測長儀上進行驗證。當相對移動距離為5.00、10.00、15.00、20.00、25.00、30.00、35.00、40.00mm時，霍爾元件位移傳感器測量值為4.91、9.88、14.81、19.72、24.52、29.43、34.32、39.12mm；激光位移傳感器測量值為4.995、9.993、14.995、19.993、24.991、29.992、34.993、39.994mm。激光位移傳感器的測量誤差比霍爾元件位移傳感器的測量誤差要減小一個數量級。大幅提高了試驗測量精度。
4.4 傳感器量程
霍爾元件位移傳感器因為必須受到傳感器磁鐵磁場的作用才能探測位移量。因此量程受到很大制約。在用的40mm量程霍爾元件位移傳感器經常出現滿量程無法測量位移峰值，不能滿足大位移試驗測量要求。
激光位移傳感器的量程受采樣率設置的影響。采樣率為20us時，量程為±100mm。能很好滿足試驗中動態位移測量要求。
5 結論
激光位移傳感器替代霍爾元件位移傳感器，成功應用于動態位移測量。本論文通過兩種位移傳感器原理的闡述和對比試驗驗證，確定激光位移傳感器在抗干擾能力、試驗精度等方面都有霍爾元件位移傳感器不可比擬的優良特性，且其現場安裝簡單易行。能更好的運用于結構件強度試驗動態位移非接觸測量領域。為實現高可靠、高精度非接觸式動態測量找尋了一種新的技術手段，提高了動響應測試能力。
