时间：2022-02-04 02:42:50
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇半导体材料论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅和金刚石等称为第三代半导体材料。本文介绍了三代半导体的性质比较、应用领域、国内外产业化现状和进展情况等。
关键词
半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓
1前言
半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。
半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。
在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。
2主要半导体材料性质及应用
材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。
硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。
砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。
gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。
主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。
3半导体材料的产业现状
3.1半导体硅材料
3.1.1多晶硅
多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。
我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。
峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。
3.1.2单晶硅
生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。
目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。
集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。
我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。
我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。
3.2砷化镓材料
用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。
移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf
gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。
我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，
4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。
国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。
3.3氮化镓材料
gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。
2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。
目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。
因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。
4结语
不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。
参考文献
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[4]梁春广.gan-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，53136
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[7]中国电子工业年鉴编委会.中国电子工业年鉴2002[m].
关键词：氧化锌，稀磁半导体，铁磁性
0.引言
当代和未来信息技术都占据着重要的地位，因此随着社会的不断发展,对信息的处理、传输和存储将要求更大的规模和速度。半导体材料在信息处理和传输中有着重要的作用，半导体技术应用了电子的电荷属性；磁性材料在信息存储有着重要的应用，磁性技术利用了电子的自旋属性。但是半导体材料都不具有磁性,磁性材料及其化合物都不具有半导体的性质，因此人们想到了通过掺入磁性离子来获得磁性的方法，即在GaAs、GaN、ZnO等半导体中掺杂引入过渡金属（或稀土金属）等磁性离子，这种通过掺杂而产生的磁性与本征磁性有一定的区别，人们称其为稀磁性。在化合物半导体中，由磁性离子部分地代替非磁性离子所形成的一类新型半导体材料，称之为稀磁半导体。
1. 发展现状
1.1 掺杂具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子
在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni等过渡磁性金属离子，结果发现样品的室温铁磁性对制备技术、生长条件等都有很大的依赖关系。侯登录等人[1]采用磁控溅射法在Si基底上制备Fe掺杂的样品，发现铁磁性是其本征性质。。Liu等人用化学气相沉积法制备了Co掺杂的样品，分析发现掺杂Co的ZnO样品铁磁性与Co的不纯相ZnCo2O 4无关。Akdogan等人用射频磁控溅射法制备了掺杂不同Co离子浓度的的样品，分析得出氧原子的自旋极化对样品长程铁磁序的形成有重要作用，且Co原子的掺杂引起了ZnO的本征铁磁性。Parra-Palomino等人研究发现样品的铁磁性与ZnO中的缺陷有关。
1.2 掺杂具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子
在ZnO中掺杂引入磁性离子可以使样品产生磁性，因此人们在ZnO中掺入了具有低温铁磁性的Mn、Cr等过渡磁性金属离子，于宙等人[2]用化学方法制备了Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料，分析发现该材料的铁磁性是由Mn离子对ZnO中Zn离子的替代作用引起的。Robert等用射频磁控溅射法制备了掺杂Cr的ZnO样品。分析发现H原子占据了O的位置并产生了一个深的施主缺陷从而增强了自由载流子数和铁磁的超交换作用，进而导致了样品的铁磁性。
1.3 掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等金属离子
研究发现在ZnO样品中掺入不具有室温铁磁性的Al、Cu等离子样品也可以显示出室温铁磁性。刘惠莲等[3]用柠檬酸盐法合成了一系列掺Cu样品，研究发现铁磁性是其本征性质。Ma等人用脉冲激光沉积法制备了掺杂Al的ZnO样品，发现样品铁磁性与Al原子和Zn之间的电荷传输有关。
1.4 多元素掺杂ZnO基稀磁半导体
邱东江等人[4]用电子束反应蒸发法生长了Mn和N共掺杂的薄膜，发现样品的室温铁磁性很可能源于束缚磁极化子的形成。Gu等人用射频磁控溅射法制备了掺杂Mn和N的ZnO样品。分析发现样品为室温铁磁性,这可能与N原子的掺入使空穴的浓度增加有关。Shim等人用标准固态反应法制备了掺杂Fe、Cu的ZnO样品，发现掺杂Fe、Cu的ZnO的铁磁性起源于第二相。且Fe原子进入ZnO并取代Zn原子是产生铁磁性的主要原因。宋海岸等人[5]在Si(100)衬底上制备了Ni掺杂和(Ni、Li)共掺ZnO薄膜样品。研究发现铁磁性的起源可以用电子调制的机制来解释,Ni-ZnO中的施主电子形成了束缚磁极化子,束缚磁极化子能级的交叠形成自旋-自旋杂质能带,通过这些施主电子耦合即Ni2+原子之间的远程交换相互作用导致了铁磁性。
由于掺杂ZnO是一个新兴的研究方向，因此人们对其研究结果不尽相同有的甚至相反，例如对于Fe掺杂的ZnO基稀磁半导体，Parra-Palomino等人发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用载流子交换机制来解释，侯登录等人[1]发现掺杂Fe的样品的铁磁性可以用局域磁偶极子作用机制来解释。又如对于掺杂样品的铁磁性是样品的本征性质还是非本征性质方面人们的观点也不尽相同，Shim等人发现铁磁性是掺杂Ni的ZnO样品的非本征性质。Akdogan等人发现Co原子的掺杂引起了样品的本征铁磁性。对于掺杂所引起的样品磁性方面，Liu等人研究发现掺杂Co的ZnO样品具有铁磁性，而Tortosa等人发现掺杂Co的ZnO样品是顺磁性的。研究发现样品的铁磁性与制备方法、生长的气体环境、气体压强、生长时间、退火温度、退火时间、掺杂剂量、掺杂元素的种类以及相对含量均有很大的关系。
2. 结论
目前, 对于ZnO基稀磁半导体材料的研究主要集中在两个方面:(1)优化生长参数,获得高质量的薄膜。。(2)选择不同掺杂元素与掺杂量,通过单掺杂或共掺杂,提高薄膜的居里温度,奠定其应用基础。
通过对单掺杂金属的ZnO样品及共掺杂的样品的结构分析、以及电学、磁学、导电性等性质的分析，发现对于相同的掺杂，样品铁磁性的强弱不同，有的结论甚至相反。这与样品的制备技术不同、以及不同的生长环境有关。通过各种制备方法及不同制备工艺得到的ZnO薄膜的性能存在较大的差异,而且可重复率比较低。铁磁性来源和机理分析还需要进一步的系统性研究。。对样品的铁磁性起源理论众多。目前关于稀磁半导体材料铁磁性根源的解释有多种，有载流子交换机制(可以解释具有室温铁磁性的Fe、Co、Ni、V、Cr、Cu、Al等元素掺杂的情况）。载流子导致的铁磁性与反铁磁性竞争机制（可以解释Mn、Cr、Co等元素掺杂的情况）。局域磁偶极子之间相互作用机制（可以解释V、Ni等元素掺杂的情况）。
在实验和理论的统一方面还存在有许多的矛盾之处,而且每种理论都只得到了部分实验证实.因此对ZnO基稀磁半导体的磁性机理的认识还需进一步的提高。可以在以下几个方面开展进一步的更深入的研究。一是改善样品的制备工艺，许多试验重复率很低说明样品的制备过程中有许多影响因素，有待于对其发现并掌握。二是改变掺杂的金属元素，传统的掺杂只对过渡金属进行了大量研究对于非过渡金属的相关研究很少。而且由单掺杂向共掺杂转变是一条很好的思路。
参考文献
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[5]宋海岸,叶小娟,钟伟等.(Ni、Li)掺杂ZnO薄膜的制备及其性能.纳米材料与界构.2008,45(12):698-702.
关键词：光催化 降解 甲基橙 BiOBr 水热合成
近年来，随着工业的快速发展，水环境中有毒物、致癌物污染物的大量排放，严重地威胁着人类的健康。半导体光催化氧化技术以其众多的优点受到了人们的青睐[1,2]，但是，由于光催化技术的反应体系较为复杂，目前的光催化技术还基本停留在实验室研究的层面上，其中最为突出的问题是光催化剂的光量子效率低，对光的响应范围狭窄，催化能效率低，催化剂不稳定等，因此光催化剂的制备及改性一直是国内外研究的热点[1-5]。BiOX（Cl、Br、I）是一类新型的半导体材料[3-5]，具有独特的电子结构、良好的光学性质和较高的催化活性，且随着卤素原子序数的增加，其光吸收和光催化性能均呈规律性变化，近年来引起了研究人员的兴趣。本实验通过水热合成法制备了BiOBr光催化剂并对其进行表征，考察了不同溶剂下制备BiOBr光催化剂的形貌组成；以甲基橙为目标降解物，考察了不同pH值以及硫酸钠电解质的加入对BiOBr光催化降解性能的影响。
一、实验方法
1.催化剂的制备
二、光催化实验
三、结果与讨论
1.样品表征
2.光催化降解
采用硝酸为溶剂制备的BiOBr粉末为光催化剂，紫外可见光下催化降解甲基橙。溶液初始pH值对光催化降解动力学的影响如图2所示。由图可见，pH值对催化剂的光催化活性具有显著影响，pH=2时，甲基橙具有最好的催化降解效果，降解率达到了74%；pH=7时，降解率为52%；pH=9时，降解率只有21%，随着pH值的升高，催化剂的光催化活性逐渐降低。
四、结论
通过水热合成法制备产物，研究表明不同的水热条件（溶剂）对产物的表面形貌产生了显著的影响，以硝酸为溶剂条件下制备的片状粉末颗粒更小。通过对BiOBr催化降解甲基橙的多组实验数据进行研究分析，可知pH为2、加入硫酸钠电解质条件下降解效果最好。
参考文献
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英文名称：Journal of the Chinese Rare Earth Society
主管单位：中国科协
主办单位：中国稀土学会
出版周期：双月刊
出版地址：北京市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1000-4343
国内刊号：11-2365/TG
邮发代号：2-612
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1983
期刊收录：
CA 化学文摘(美)(2009)
CBST 科学技术文献速报(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘杂志(俄)(2009)
中国科学引文数据库(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)
中文核心期刊(1992)
期刊荣誉：
中科双百期刊
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关键词：电力电子； 有源温控； 电桥； LED
中图分类号：TN919-34； TM92 文献标识码：A 文章编号：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
基金项目：上海市科学技术委员会基金资助项目（10XD1422900）
0 引 言
大功率LED的正向压降和电流都比较大，其消耗的功率也比较大。目前大功率白光LED的电光转换效率约为15%，剩余的85%则转化为热能，而一般LED芯片尺寸仅为Φ2~Φ5 mm，因此其功率密度很大。同时与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱基本属于可见光范围内，不包含红外部分［1］，所以其热量不能依靠辐射释放，如果热量集中在尺寸很小的管芯内部而不能有效散出，就会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布，同时芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定水平时器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2 ℃，LED可靠性将下降10%左右。
同时，当温度过高时白光LED器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明，在100 ℃的温度下，波长可以红移2~9 nm。从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差，并且会严重影响LED的使用寿命［2］。在室温附近，温度每升高1 ℃，LED的发光强度会相应减少1%左右，当器件从环境温度上升到120 ℃时，亮度下降多达35%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更加严重，因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件［3］，因此，如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术难题之一。
1 有源温控LED的开发
目前几乎所有控制LED温度的方式都是通过增加散热面积，改善散热材料等被动方式散热，但是这种方法受环境温度和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达到的要求［4］。于是，这里提出了一种使用热电致冷器件TEC主动控制LED温度的方法。这种方法当然也要消耗能源来制冷，但在必要时则能强制LED管芯局部降温，从而仍可能有积极的作用。
1.1 TEC工作原理
TEC是利用热电致冷效应原理制成。所谓热电致冷效应，是指当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时，具有致冷制热的功能。半导体制冷是热电制冷的一种，即直流电通过半导体材料制成的PN结回路时，在PN结的接触面上有热电能量转换的特性，这种效应又称为帕尔贴效应。帕尔贴效应是法国物理学家帕尔贴(Pettier)在1834年发现的。两种不同导体联成的闭合回路，当在此环路中接入电源时，一个焊接点的温度降低为吸热端；另一个焊接点的温度升高为放热端。这种现象被称为热电制冷和制热。又由于半导体材料是一种较好的热电能量转换材料，在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成，因此称为半导体制冷器［5］。
当有外加直流电流I流过2种不同的金属组成的闭合回路时，在一个接头上会有热量Q的吸收，而在另一个接头上会有热量Q放出，这种吸收或放出的热量称为帕尔贴热。帕尔贴热和通过该导体的电流关系为：Q=πI
(1)式中：π为帕尔贴系数，与材料的温差电动势率α和接头温度T1有关，π=αT1。帕尔贴热只与2种导体的性质及接头的温度有关，而与导体其他部分的情况无关，且这种效应是可逆的。
半导体制冷器的基本致冷单元，是把P型半导体和N型半导体用金属连接片焊接起来组成的电偶，如图1(a)所示。载流子通过结点时，必然与周围环境进行能量交换，能级的改变是现象的本质。N型半导体有多余的电子，具有负温差电势，P型半导体多数载流子子是空穴，电子不足，具有正温差电势，当电子从P型半导体穿过结点到N型半导体时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量，结点温度降低。相反，当电子从N型半导体流至P型半导体时，结点的温度就升高。由于单个电偶产生的热效应较小，所以实际应用的半导体制冷器，是将多个这样的电偶对一起串联使用，如图1(b)所示，这样才能够同时吸收或者释放更多的热量。通过改变TEC两端的电流流向就能够控制热量吸收和释放，同时控制电流的大小，就能控制TEC发热或者制冷的功率，从而实现对LED温度的控制。由于对于LED来说主要是控制其温度不能超过其允许范围，因此只需控制电流的大小而不必控制方向。
1.2 温度测量方法
控制温度需要温度检测装置，这里采用热敏电阻元件作为温度的传感器，通过测量其电阻值的大小来判断温度的大小。这样希望温度控制在某个值就有了温度的给定，到温度执行机构，再到温度的检测作为反馈就构成了温度的闭环自动控制系统。
温度信号首先要变成比较容易处理的电信号，这里采用温度传感器将温度信号转变为电信号。常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、RTD和集成温度传感器。热敏电阻主要用于点温度、小温差的测量，远距离多点测量与控制，温度的补偿和电路的自动调节等。测温范围为-50~+450 ℃。与其他温度传感器相比，热敏电阻温度系数大、灵敏度高、响应迅速、测量线路简单，体积小、寿命长、价格便宜，由于本身电阻值很大，因此可以不考虑引线长度带来的误差，适于远距离的测量和控制［6］。
热敏电阻的温度系数有正有负，大概可分为NTC，PTC和CTR。NTC是一种具有负温度系数的热敏电阻，PTC是正温度系数热敏电阻，CTR是临界温度热敏电阻［3-7］。NTC主要用于温度测量和补偿。本课题采用的是NTC型热敏电阻。它的主要参数指标有标称电阻值Rt、额定功率、电阻温度系数α、测量功率、时间常数、耗散系数、稳压范围等。
一般而言，温度的测量由温度传感器和电桥2部分组成。本课题研究的LED温度的测量利用热敏电阻和差分输入电桥两部分组成［7］。采用单电桥的测温电路如图2所示。
图中RX为热敏电阻；UR为参考基准电压，要求参考电压输出必须精确稳定，一旦纹波过大，则会影响电桥的测量精度［8］。桥臂上其余电阻也采用高精度的精密电阻，以保证精确测量的需要。根据电路以及运算放大器的原理可以得到UO与UR的关系式：UO=(R2+R3)(R1+RX)－2R3RX2R2(R1+RX)UR
(2) 通过电路仿真得到UO与RX的关系曲线如图3所示。图中UR选取5 V，经过合理配置R1=1 kΩ，R2=R3，当RX大约在0.33 ~3 kΩ之间变化时，UO的输出在范围为0~5 V。本论文中0~5 V作为计算机信号代表LED的温度信号变化范围为-20~+200 ℃。因此通过热敏电阻将温度信号反馈到320单片机的A/D，再通过单片机控制TEC的电流就可以形成LED的温度反馈控制［9］。
2 LED有源温控系统的实现
首先介绍LED有源温控系统的配置方式，然后通过对温升数据的分析，指出LED有源温控系统的可行性。
2.1 LED有源温控系统的配置方式
首先通过智能LED驱动器给LED负载进行供电，上位机通过CAN或RS 485总线将控制信号传递给LED驱动器来控制LED输出电流的大小，即控制LED发光亮度的大小，而随着发光亮度的不同，LED的热量也有很大的变化，亮度越高，其表面越热，然后温度传感器将其温度信号转化为电压信号，传递到LED驱动器的微处理控制模块，经过A/D采样转化为数字信号，再由CAN/485总线将数据发送到上位机上，上位机根据所传输数据的大小通过内部数字PI控制器计算并输出到微处理器控制模块，再由微处理器控制模块将相应的控制电压给到驱动器上，由驱动器对LED制冷器进行供电，而微处理器供给的控制电压的大小直接控制制冷器电流的大小，即制冷器制冷强度的大小，整个过程是一个完整的闭环系统，不需人为调节，由传感器，驱动器电路，总线，上位机，制冷器自动控制。
本系统以C8051F340单片机为核心，与外部监控单元和接收机单元均采用串行口通信；单片机采集输出电流反馈信号；环路校正采用数字PI校正，用软件编程实现；校正输出的信号送至F340内部产生的数字脉宽调制信号(PWM)，通过PWM加载到驱动电路的输入端，从而改变负载输出功率［10］系统结构如图4所示。
对于数字校正来说，环路的控制是按照一定的采样周期进行的。本系统中采样周期选为20 ms。系统反馈控制单元采用数字PI校正，用软件编程来实现。相对于模拟环路校正来讲，数字Pl调节器具有调试方便、可靠性高等优点。下面对本系统所采用的数字PI控制器进行详细的介绍。
PI调节器的传递函数为kpτs+1τs，其中，τ为积分时间常数；kp为比例系数，这里τ=0.03，kp=1。该调节器的模拟输出为：u(t)=kp［e(t)+1τ∫10e(t)dτ］
(3)式中:e(t)为调节器的偏差输入，即给定值与反馈采样值之差。
将式(3)离散化：uk=kp［ek+1τ∑k－1n=0e(n)T］
(4)式中：T为采样周期。
对第k个采样值和第k-1个采样值进行比较，进而推理出本次的控制量向上次控制量的关系：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。程序流程如图5所示。
2.2 LED的温升实验测量数据分析
表1为不加TEC制冷而测试出的输出电压，温度与热敏电阻阻值的关系。由表中数据可以看出，其热敏电阻值与输出电压的关系与图3模拟仿真结果基本一致，误差不超过1%。
而当加入TEC制冷器以后，无论发光亮度有多大，LED表面温度都迅速降温为25 ℃左右，达到了预期制冷的效果。表2为加入TEC制冷器后输出电压，温度与热敏电阻阻值的关系。
3 结 语
本文给出了一种新型的LED有源温控系统的设计，使用降压型LED驱动器作为TEC制冷器的驱动电源，同时建立基于半导体传感器的温控监测电路，形成一个完整的闭环控制系统，通过主动散热的方式为大功率LED高效可靠的工作提供保证，此系统的设计经过实验论证，证实此方法准确，有效，具有开发的价值。
参 考 文 献
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[关键词]LED 照明技术 飞机
中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0173-01
飞机安全无论在航运上还是国防上一直都是航空体系中的重点关注项目，飞机在起飞、巡航、落地的过程中需要应用到照明系统，尤其在夜间飞机起航，照明系统就是一个安全指示信号。目前在飞机照明系统中的外部系统LED照明是使用效果最好的，在光照强度、使用寿命、节能上都能要到必备要求。
一、照明系统技术现状及发展分析
（一）飞机照明系统技术现状分析
飞机的照明系统在分类上分为内部照明系统和外部照明系统两种，外部照明系统是关键，主要采用的是疝气灯、白炽灯等光源。由于照明技术在飞机设计时需求不同，所运用到的技术也存在差异，使用过程中仍有缺陷。通常飞机的探冰灯、航行灯用的是卤素灯和白炽灯设计，在好天气里航行基本上灯光照明技术是合适的，而遇到恶劣天气或者气层强大的气流冲击容易发生颠簸，持久、剧烈的颠簸导致内灯断裂照明系统损坏影响照明引发安全隐患，因此此类的照明技术还需要改进。
HID灯放光效率好，强度也够高，能够满足标志灯、着陆/滑行灯等高要求灯光强度，同时也存在着反应速度慢、使用寿命短的缺点。HID的光线传送需要一定的时间后才能实现稳定的照明，对紧急降落等突发状况的飞机航行状况是非常大的隐患，必须有足够的时间HID照明系统才能引导安全的紧急降落。寿命短的缺点注定需要安排专业技术人员定期检查、更换，在人力、物力等成本上增加不少压力。
此外，疝气灯用在频闪灯和防撞灯上也存在缺陷。疝气灯在光线强度也非常好，但是在启动时易引起电磁干扰的现象出现，冲击飞机的应用系统，造成系统系数不稳定甚至指示错误，对飞机的安全性造成很大的影响。
（二）LED照明技术的发展分析
当今时代环保节能已经成为潮流，国家注重环保节能、和谐社会的发展，LED照明技术就有着这样的优势，同时在光源强度上也说照明领域的新变革。LED照明的核心发光器是半导体材料发光二极管，发出大功率的白光，提高照明度。Gerr实验室数据显示LDE灯发光率高达1201m/W以上，被广泛用于个领域，比如：景观照明、汽车照明、飞机照明、电视电脑等。LED照明技术的发展非常迅速，成为应用趋势，可以改善飞机照明系统大部门存在的缺陷，为飞机的航行安全提供稳定的照明保障。
二、LED在飞机照明系统的应用
（一）能够满足相应速度快要求
飞机照明系统中频闪灯、防撞灯等需要一定速度的闪光频率，传统用疝气灯做频闪灯、防撞灯，闪光频率对其伤害大且影响使用寿命，而LED灯响应时间处于纳秒级别，可以应用脉宽调制方式驱动，不但对灯影响不大，还能实现灯光强度的随意控制。飞机在运行过程中受到很多因素影响，需要对灯具的使用要求严格，新型LED照明技术能够实现。
（二）延长使用寿命，减少更换频率
卤素灯、HID等的使用寿命约在2500h左右，LED灯核心发光器主要是半导体材料二极管，半导体材料的使用寿命一般在10万h以上，LED灯也可以达到2万h以上，因此在飞机照明系统的应用上大大提高了使用的可靠度，使用时间长维修次数降低，更换的频率也降低，即使在恶劣的天气环境中也具有一定的抵抗能力。
（三）灯光颜色可调控，显色性能好
飞机外部照明系统需要根据外界环境的变化以及飞机在运行中处于的阶段不同进行颜色的调和，比如在高空和降落的颜色区别，灯光颜色代表不同的飞行语言；内部照明灯设计目的在于提高旅客的舒适度，需要根据阳光曝光率适时调整。在传统的照明技术中，很难实现内外照明系统技术要求，对于LED照明系统而言是很容易实现，能够根据环境实现自动的颜色调和，减少信号灯在颜色调节上不显色造成信号传递错误的现象，确保飞机在运行中的安全，提高安全力度。
（四）节能高效，安全性强
在传统的飞机照明系统中，卤素灯发光效率在17-331m/W范围，HID灯发光效率在40-1001m/W范围，疝气灯也与HID灯发光效率不相上下，此类照明系统在飞机的运行中需要的发光效率还存在一定距离。LED灯发光效率可到1200m/W，甚至2830m/W，而且在科技不断进步，发光效率的空间还有提升的空间。
飞机运行环境存在电磁感应，会造成一定的干扰，在运行中必须避免电磁感应的影响，LED技术的恒流源不会产生电磁感应，避免了干扰，使用起来更加安全。倘若飞机在运行过程中遇到恶劣天气或者强大气流，LED照明技术可以在恶劣环境下保持平稳应用，降低传统照明技术带来的误差，避免火灾隐患，确保飞机运行安全。
（五）增强乘客旅程幸福指数
乘客登机后，视觉上将被引导进入一个更大的、更舒畅的机舱。当乘客仰望时，将看到一个提升他们对空间感知度的模拟天空，而弧形空间会在飞机内经过仔细选择的位置不断出现，从而给乘客一种身处相应空间的感觉，“天空”效果在飞机过道上不断出现，著名的波音公司在波音787上运用LED技术设计在飞机照明系统上，带来乘车这番感受。因此，LED照明技术可以在飞机照明系统中利用阵列形式在整个飞行过程中，可以改变“天空”的色彩和亮度，增强乘客的舒适感，提高乘客旅途的幸福指数。
三、结束语
LED照明技术不断进步，逐渐取代传统照明技术，被广泛运用于交通、生活娱乐、航空等领域。飞机逐渐摆脱过往高端的地位，成为人们出行的重要交通工具，航线遍布全球，航班次数越来越多，对飞机的安全和服务需要也越来越高，LED照明技术在飞机照明系统中的应用在不断进步、完善，提高飞机的安全性，实现环保及能源效用最大化。
参考文献
关键词：瓦斯 浓度 检测
0 引言
由于我国经济的迅速发展，对能源的需求急剧增大，根据统计我国能源需求的70%来源于煤炭【1】，因此煤炭生产在我国的能源供应结构中起到了中流砥柱的作用。煤矿的安全生产一直是困扰各地政府和煤矿生产人员的一个重大问题，其中由瓦斯引起的爆炸对煤矿安全生产的威胁最大。瓦斯爆炸事故严重危害了矿工的生命以及国家的财产安全，同时还可能会带来恶劣的社会影响，是煤矿安全生产的重大隐患。
近年来，我国由于瓦斯爆炸所造成的煤矿生产安全问题不断发生。2009年11月21日，黑龙江鹤岗新兴煤矿爆炸，死亡108人。2012年2月3日15时左右，四川省宜宾市筠连县钓鱼台煤矿井下发生一起瓦斯爆炸事故，造成13人死亡，8人受伤。2012年2月14日15时30分左右，新疆昌吉州玛纳斯县兴达煤矿井下发生了一起瓦斯爆炸事故，造成8人死亡。2012年5月15日18时40分左右，位于新疆自治区塔城地区乌苏市的农七师新疆准南煤矿所属托力拜勒勘探区（平硐），在探巷施工过程中发生一起瓦斯爆炸事故，造成6人死亡。同年8月13日6时许，吉林省白山市吉盛煤矿一井发生瓦斯事故，造成18人死亡。因此预防瓦斯事故是煤矿安全生产的重中之重。
瓦斯爆炸的主要原因是甲烷与氧气的比例达到一定界限并且存在着火源点，比如气电性火源，冲击性火源以及化学性火源【2】。采用高效的瓦斯气体浓度检测手段，实施监测矿井内的瓦斯浓度，对于预防瓦斯爆炸事故，尽量避免或者减少生命财产损失，具有极其重要的意义。
1 常用的瓦斯检测技术
目前被广泛应用于煤矿安全生产的瓦斯检测技术主要有半导体气敏法、载体催化法、热导型检测法以及光干涉法等。
1.1 半导体气敏法
半导体气敏法【3】是采用氧化物半导体作为基本的吸附材料，瓦斯气体吸附在半导体材料表面引起半导体材料的电导率等电学特性产生变化，通过对这些电学特性信号的收集来达到检测瓦斯气体浓度的目的。目前常用的氧化物半导体有：氧化锌、氧化锡、氧化镁、氧化钴等。半导体气敏传感器的优点是：寿命长、结构简单、耗能少。缺点是：选择性差，受水蒸气的影响比较严重，通过添加某些材料或者改变反应温度虽然可以提高它的选择性，但作用不是很难明显，而且由于其测量范围窄，检测可燃性气体浓度的精度性差，目前在煤矿开采中较少使用。
1.2 载体催化法
催化燃烧型瓦斯检测仪的检测原理为【4】：利用敏感元件（俗称黑白元件）对瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上发生无火焰燃烧，释放出热量使元件温度上升，增加敏感元件铂丝的电阻值。通过下图所示的惠斯登电桥测量电路（见图1），可以测量其敏感元件电阻值变化量。
1942年美国就成功制造了世界上最早的催化型瓦斯检测技术，称为VCC瓦斯测量仪，所采用的催化材料为纯铂丝；随后，日本在铜丝元件上加上涂有催化剂的载体小珠制成世界上最早的载体催化元件；1960年后，世界上大部分工业发达国家，都把研制催化型仪器【5】作为瓦斯检测的主要发展方向。目前，波兰、英国等国家依然主要采用催化型检测技术作为其瓦斯浓度的主要检测技术。
载体催化法具有精度高，成本低廉等优点，在包括我国在内的许多国家的煤矿生产中广泛应用，但是也存在着零点漂移以及稳定性不够等缺点。
1.3 热导型检测法
热导型检测法【6】的原理是利用甲烷气体与空气热导率不同来检测甲烷气体，并得到甲烷的浓度数据。由于甲烷气体与空气热导率差距较大，因此当甲烷气体浓度较高时，该方法检测精度较高，而当甲烷浓度较低（小于5%）时，热导率变化幅度很小，很难被检测到，因此该方法仅适用于高甲烷浓度的检测，通常与催化型检测方法联合使用。
1.4 光干涉法
光干涉瓦斯检测仪【7】是利用光在不同空气中的折射率不同的光学原理，通过测量不同瓦斯含量的空气与不含瓦斯空气的折射率的变化来确定瓦斯浓度。同一光源发出的两束光分别经过充有标准气样的参考气室和充有待测气体的测量气室，相遇时两束光将会产生干涉条纹，待测气体的浓度不同，干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的不同位置，即可测定气体的浓度。它的优点是精度高，使用寿命长等，但是由于温度、湿度以及压力等外部因素都会影响气体的折射率，因此光干涉法对环境要求较高。
2 国内外研究现状
由于传统的瓦斯气体检测方法都存在各种各样的限制和不足，因此需要研发一些新型的瓦斯检测技术。目前研究的热点主要集中在红外光谱法和气相色谱法等。
2.1 红外光谱法
红外光谱法的原理【8】是根据不同气体在光谱作用下由于分子结构以及键能不同而表现出不同的吸收峰，通过收集吸收峰的波长以及吸收强度可以计算出空气中甲烷或者其他气体的浓度。红外甲烷检测设备是利用甲烷在1.33μm以及1.66μm处附近所产生的强烈吸收峰来检测甲烷气体，而空气中的水蒸气以及二氧化碳等气体在此处均无吸收峰，因此可以精确测量甲烷气体的浓度，光信号传输主要依靠光纤。它的优点在于响应速度快、测量精度高、不受杂质气体干扰以及无零点漂移困扰等。
1978年，日本Tohoku大学的Inaba.Humio等人首先提出了光谱吸收法，通过光纤传输光信号，进行了长距离的大气污染监测。1986年，K.ehan和H.Ito等人采用InGaAs材料的LED作为光源，针对甲烷气体在1.66μm处的吸收峰，检测了甲烷气体的浓度，配合窄带干涉滤光片，系统的灵敏度提高了一倍。2006年，俄罗斯科学研究院物理研究所报道了采用单频激光，进行甲烷气体在1.66um处的吸收实验。2008年，GrawfordMassie报道了便携式瓦斯光学传感器，选择的是1.66um处的吸收谱线。
我国在利用红外光谱法检测瓦斯气体浓度方面起步较晚，从上世纪80年代末期才开始。2002年，吉林大学的王一丁教授设计了具有新型光路和电路结构的便携式红外瓦斯气体检测仪。近年来，安徽光机所在光谱吸收气体方面做过许多研究，比如采用激光远程吸收和波长调制技术相结合的方法，实现了瓦斯气体浓度的检测。
2.2 气相色谱法
气相色谱法主要是利用物质的沸点、极性及吸附性质的差异来实现混合物的分离。待分析样品在气化室气化后被惰性气体（即载气，也叫流动相）带入色谱柱，柱内含有液体或者固体固定相，由于样品中各组分的沸点、极性或吸附性能的不同，每种组分都倾向于在流动相和固定相之间形成分配或吸附平衡。但是由于载气是流动的，这种平衡实际上很难建立起来，也正是由于载气的流动，使样品组分在运动中进行反复多次的分配或吸附/解吸，结果导致较难吸附的组分随着载气较快地向前移动而先流出色谱柱，而较易吸附的组分移动较慢，后流出色谱柱。当组分流出色谱柱后，立即进入检测器，检测器能够将样品组分的存在与否并转变为电信号，而电信号的大小与被测组分的量或浓度成比例。当将这些信号放大并记录下来时，就形成了色谱图，它包含了色谱的全部原始信息。在没有组分流出时，色谱图记录的是检测器的本底信号，即色谱图的基线。
气相色谱法具有效能高、选择性高、灵敏度高、分析速度快、应用范围广等优点， 但仪器比较笨重，实时性难以保证。
色谱法是最早被俄国科学家茨维特在分离并研究植物色素时所发明的一种检测的手段。直到上世纪80年代才逐渐被应用于瓦斯气体以及煤裂解气的分离与检测。
1981年Gangwal等人利用气相色谱法对煤裂解气的成分进行了分离与检测，2008年Grazyna等人利用气相色谱法分离出了煤矿气体中的一氧化碳和甲烷；2011年Zubkova等人报道了通过气相色谱法对煤裂解气中的各项成分进行了分离并测定了其浓度。国内最早在1989年报道了利用气相色谱法分离并测定了煤矿气体样本中的瓦斯浓度【9】。
3 展望
瓦斯浓度的检测是煤矿开采领域的重大安全课题，目前所拥有的瓦斯检测技术难以满足在各种条件下对瓦斯浓度进行检测，瓦斯浓度检测技术还有待完善，在提高检测响应速度以及精度的基础上，还需要在便携性、实时性、智能化和网络化等方面做出努力。
提高检测设备的便携性就是要实现设备的微型化，随着微电子工艺和微机系统的快速发展，瓦斯检测设备已经有了向微型化和智能化方向发展的趋势，并且具有自动补偿功能、自计算和处理功能以及自诊断功能的微型瓦斯检测设备有望在不久的将来在煤矿生产中得到广泛的应用。同时，还应在瓦斯检测设备上配备网络接口，以实现远程实时监控并随时储存检测数据以备研究。
另外，集成化、多功能化、微功耗无源化、高精度和高可靠性都是研究传感器的热门课题。
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[关键词]大坝 安全监测 传感器
中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0381-01
大坝是一个复杂的建筑工程，其需要投入大量的资金与人力，当然其产生的功效也十分巨大，其过程中一个细微的失误都会造成今后巨大的隐患，因此大坝工程的安全监测至关重要，其随时掌握大坝工程的施工状态，从而确保工程质量水平。
一、 传感器的研究发展
传感器是将物理量、化学量或生物量转化为电信号的器件，其输出有电压、电流、频率等形式的信号。目前传感器是向微型化、智能化、多功能化、综合化和网络化的方向发展，传感器的发展主要体现在以下几个方面：一是利用新现象。传感器的发展需要不断发现新现象，并加以利用，是研究传感器的重要内容;例如高温超导磁性传感器，，其灵敏度仅次于超导量子干涉器件，但是其制作工艺远简易于超导量子;二是利用新材料。传感器技术对新材料的研发是其主要内容之一，研究新型传感器。例如光导纤维能材料制作压力、流量、温度等多种传感器;三是利用微机机械加工技术。利用半导体氧化、光刻、扩散等加工技术制作传感器，例如硅微传感器就是利用半导体加工技术制成;四是集成传感器。集成传感器突破传统传感器的功能，将辅助电路集成，使其具有校准、补偿或网络通讯等辅助功能;五是智能化传感器。智能化传感器是微型处理器与传感器的有机结合，使传感器具有检测、判断和信息处理功能。
二、 大坝安全监测的现状以及发展
目前我国大坝监测主要包括大坝变形监测和大坝渗流监测俩方面的内容，变形监测包括表面变形、内部变形、裂缝和岸坡位移等;渗流监测包括渗流压力、渗流量及浸润线等;压力监测包括孔隙水压力、土压力、扬压力、混凝土应力等。随着科学技术的进步，大坝安全检测技术也逐渐向一体化、智能化的方向发展，利用分布式结构、智能节点技术、遥测遥控技术、工业控制技术、网络通讯技术和计算机技术等综合技术，建立完善的大坝安全检测预警系统，从而实现大坝变化状况的实施监控。
三、 传感器在大坝监测中的应用
1. 传感器在大坝变形监测中的应用
大坝变形主要指大坝整体或局部位置随着时间的流逝而发生一定程度的变化，其监测方法主要分为水平位移监测和垂直位移监测，目前我国工程中主要采用新型步进式变形监测仪STC-50型坐标仪或SWT50型引张线遥测仪，并且还出现GPS水平位移监测或垂直位移监测自动化技术。我们以引线张遥测技术和GPS技术为例简要介绍传感器在变形监测中的应用。
引线张遥测技术测量坝体的水平位移，其设备具有设备简单、测量便捷、效率高、成本低等优势，其被广泛应用于我国大坝安全监测体系中。随着自动化技术的发展与应用，引线张遥测技术引进自动化技术，如电容感应式引张线仪、CCD式引张线仪等。但是该技术不适合温度变化幅度大的北方，其技术已经被真空激光准取代。
GPS技术具有体积小、测量精度高、实时监测、自动化检测等优势，并且该技术不易受到外部环境的影响，例如温度、湿度、粉尘等因素，因此该技术十分受到野外工作者的欢迎。GPS技术在工作过程具有很强的抗干扰能力、较高的监测精度和处理数据水平，能够实现3D变形，其除了监测大坝变形的功效外，还具有防洪减灾的作用。
2. 传感器在大坝渗流监测的应用
渗流是大坝事故的主要原因之一，渗流也是大坝安全监测的重要内容，其中凝土土坝渗流监测主要包括扬压力和渗流量监测两个方面，传感器在大坝渗流监测中起到重要作用。例如压阻传感器的应用，压阻传感器利用硅半导体材料制成做成敏感元件，由于压阻效应，该半导体电阻可以在水体下测量水压变化，该电阻具有高灵敏度、高分辨率、体积小等优势，广泛应用于大坝安全监测工程中。
3. 磁致伸缩传感器在大坝监测中的应用
磁致伸缩传感器的核心材料是帖镍合金材料，利用磁致伸缩现象，铁镍合金的相交点产生应变脉冲，磁致伸缩传感器在大坝监测中的应用主要体现在以下三个方面：一是大坝整移监测的应用。首先是确定大坝两侧相对大地静止的参考点，两点链接为参考线，也是大坝整移的参照物。利用磁致伸缩位移传感器测量两者的相对位移，磁致伸缩传感器固定在箱子内，参考线套管，确保其不受外界的干扰的前提下，套入磁环，但是磁环与参考线不接触。大坝移动时，磁环的相对测杆发生位移，传感器立即加工该信号传递给控制室，检测人员可以随时掌握大坝位移的状态;二是大坝裂缝监测的应用。大坝是由坝柱和水泥墙组合而成，大坝的桩与水泥墙的地基差较大，经过时间的摧残，水泥墙与坝柱之间会形成一定的裂缝。监测大坝裂缝应用中磁致伸缩传感器放置于大坝内部通道，根据实际情况，一个通道可以安装多个传感器进行监测。磁环固定在水泥墙上，传感器固定在坝柱上，发生裂缝时，磁环根据水泥墙发生位移，传感器立即将磁环位移的新位置传递给控制室，为监测人员提供最新数据。因为大坝裂缝的位移十分微小，并且该变化也是十分缓慢的过程，磁致伸缩传感器可以十分精确裂缝的状况。;四是大坝渗流监测的应用。大坝渗流现象是造成大坝事故的主要原因，因此渗流现象是大坝安全监测的重点内容。水库的建立对坝体、坝肩和基石造成一定的负担，特别是大坝蓄水产生水压荷载，在上下游水位差的作用下造成渗流。
结束语：
综上所述，传感器技术的进步是推动大坝安全监测先进水平的主要动力之一，我们主要从大坝变形监测和渗流监测两方面的内容简述传感器在大坝监测系统中的应用，并且以磁致伸缩传感器的具体应用为例实际分析传感器在大坝安全监测中的应用，推动大坝安全监测系统和传感器向一体化、自动化、微型化、智能化、网络化等先进方向发展，从而进一步推动我国大坝工程的施工水平。
参考文献：
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【关键词】微电子工艺;应用型创新人才;混合式立体化教学;教学模式
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)01―0077―05
一 《微电子工艺》课程教学中的问题与结症
《微电子工艺》(以下简称《工艺》)是当前高校电子科学与技术专业的一门专业核心课程。主要介绍半导体器件和半导体集成电路制造工艺及其基本原理,其目标是培养熟知国内外先进微电子关键工艺,并具有一定工艺设计、分析以及解决工艺实际问题能力的应用型创新人才。这一目标的实现直接取决于该课程的教学效果。但当前《工艺》课程教学过程中仍存在诸多问题,教学效果不佳,主要体现在:教材陈旧,难以适应工艺新技术的发展与教学的要求;教学内容信息量大,在教学时间短、内容多的情况下,教师难以合理安排教学进度;教学方法单一,理论联系实际不紧密,课堂教学主要采用“变了相的黑板+粉笔式”,即将纸质课本单纯的复制粘贴到PPT上,制成电子版的“课本”,不利于学生课堂积极性的提高与创造性的发挥;教评形式单一,忽略了实习实践教学,致使大多数学生对于实习实践学习积极性不高,只是靠考前突击、死记硬背书本知识的复习方式来应付考试。由此可见,教学内容、方法、评价等这一系列问题的背后,实质上是目前课程教学模式的不尽合理。因此,改革《工艺》课程教学,探索与提炼新的教学模式是关键。经过反复的实践与总结,基于对松绑教育与整合教学理论的理解与分析,以培养应用型创新人才为目标,尝试性的提出“混合式立体化”教学模式作为该课程教学改革的突破口,以此全面改革《工艺》课程教学。
二 “混合式立体化”教学模式的理论基础与内涵
“混合式立体化”教学模式是针对当前《工艺》课程教学中存在的诸多问题而提出的有效应对策略,也是培养应用型创新人才的总体方针。该模式主要以松绑教育理论和整合教学理论为基础,融入混合式学习之优点,特别强调教学模式的灵活性和综合运用。
1 理论基础――松绑教育与整合教学理论
(1) 松绑教育理论
松绑教育(Liberation Education)是20世纪60年代末保罗•法雷尔在《Pedagogy of the Oppressed》中首先提出的概念。其核心理念是,教育应该是一个解开束缚的过程,教学过程应该是师生共同参与的、动态的、双向的信息传播过程,而不是照本宣科的、单向的知识传递[1]。松绑教育建立在建构主义的理论基础上,首先,强调人在认知过程中的主观能动性,强调教学过程中没有绝对的教与学的角色,教学过程实质上是师生共同参与的认知过程,即教学过程是一个双主体的过程。其次,强调教学过程是一个双向的信息传播过程,而不是单向的知识传授过程。再次,松绑教育是以解除学生内在的和外在的束缚为目标的教育。
(2) 整合教学理论
整合教学是随着网络技术的发展及其在教学中的应用而发展起来的,指面对面教学和电化教学的融合。整合教学的目的在于有效地综合运用各种信息传播技术、教育模式和教学方法,适应学生多元化需求,促进学生多元化学习。[2]
上述两种教学理论对课程教学改革的启示在于:第一,强调环境与社会背景对学习的意义;第二,提倡以人为本,自发学习,反对压迫束缚式学习;第三,认为教育应该以发展学生思维创新意识和实际应用能力为目标;由此可见,以松绑教育与整合教学理论为指导来构建新的课程教学模式,其目的就是要解除外部环境对学生的束缚与压迫,充分调动学生的学习积极性和主动性,培养学生的思维创新意识和实际应用能力,把僵化刻板的课堂教学变为师生互动的充满活力的教学过程、探索过程和育人过程。
2 “混合式立体化教学模式”的内涵
“混合式立体化”教学模式,是相对于以传统单向知识传授为主的教学模式提出的,它是以课程为单元,以能力培养为轴心,以教学资源为平台,动用所有教学要素,立体化、全方位地融教学与学习为一体,关注应用与创新的教学体系。它以辩证唯物主义认识论为指导,充分考虑学习者的心理结构,将教学结构与心理结构和谐统一。
本研究认为,“混合式立体化”教学模式是一种以学生为中心,以解除压迫和束缚为前提,以整合多种教学资源为手段,以培养应用型创新人才为目标,在松绑教育与整合教学两种理念设计与指导下,配以混合的教学方式、多元的教学评价而形成的一种新型教学模式。该模式在计算机网络与多媒体的支持下,优势将更加突出。《工艺》课程的“混合式立体化”教学模式由课堂教学、网络教学、实践教学三部分组成,再配以多种教学方式和教学手段(如图1和图2所示)。在实际教学中,我们在三者之间的课时分配上是课堂教学:网络教学:实践教学=1:l:1,如条件不允许,至少保证课堂教学:(网络教学+实践教学)=1:1.5。[3]
三 “混合式立体化”教学模式在《工艺》课程教学中的运用
“混合式立体化”教学模式在《工艺》课程教学改革中发挥了应有的作用,针对《工艺》课程的特点,我们从以下几方面来探讨该模式的具体应用。
1 混合式的课堂教学
在《工艺》课堂教学中,涉及到大量的工艺流程和工艺实施后的硅片剖面图,光靠传统纸质的平面图是无法给学生讲解透彻的。鉴于此,我们在该门课程的PPT中加入了丰富的多媒体资料库,利用库中大量二维和三维的多媒体图片、视频来展示和讲解复杂的工艺构造过程。同时,我们采用了视频关键帧技术(关键帧――相当于二维动画中的原画,指角色或者物体运动或变化中的关键动作所处的那一帧),将一段完整的视频按关键帧进行划分,截取成多段可只播放关键帧部分的视频。这样教师在课堂教学中可以自主的选择播放关键帧部分,大大提高了知识点的针对性和课堂的教学效率。例如:在讲授“晶圆制备的全过程”这一知识点时,我们将其分为三个关键帧视频段,即“晶圆制备的全过程”视频段、“表面抛光”视频段和“最终着色” 视频段。教师可以先播放“晶圆制备的全过程”视频段,使学生对整个制备过程有个大致了解,然后再选择播放关键帧所在的“表面抛光”或“最终着色”视频段,对制备过程中的关键操作部分给学生进行分步强化讲解,使学生能够将这一知识点从整体到局部,从笼统到精细,完全透彻地了解并掌握(如图3所示)。
与传统课堂教学相比,这种混合式的课堂教学优势在于加入了丰富的多媒体资料,使抽象的知识形象化,获得直观、丰富、生动的教学效果,有助于在教学中突出重点、分散难点,具有良好的强化效果和整体效应,便于更好地组织教学内容,促进学生对知识的理解和掌握;对于一些理论性强、概念抽象、工艺流程复杂的内容,可以起到事半功倍的效果;同时,有效地增大了课堂信息量,使学生在有限的时间内学到更多的知识,获得更充足的信息,很大程度上解决了内容多课时少的状况。
2 开放式的网络平台自主、协作学习
在网络教学平台中,教师与学生、学生与学生之间形成学伴关系,学生可以利用网络学习平台建立自己的学习档案,上传自己的学习作品,形式可以是文本、音频、视频、图像等,学生的创新潜能得到了充分的肯定和发挥;同时,鼓励学生进行网上自主学习和小组协作式学习,如给每组学生布置2―3个与微电子工艺动态与前沿相关的课题,让学生课后到Internet上查阅、整理资料,写成专题小论文,由教师或学生组织开设专题小论坛,进行组内或组间的相互讨论,每一专题还可请一到两位感兴趣的同学制作PPT在课堂上给大家讲解。这种方式解除了传统课堂“以教为主”对于学生的束缚和压迫,突出教学是一个双向学习的过程,同时延伸了课堂时间和空间,使学生由课堂上的被动听讲转变为课后的主动学习和消化。这样一方面培养学生通过Internet进行自主学习和小组协作学习的习惯,提高了网上查阅、整理资料的能力,并在不断查阅资料中积累、丰富了专业知识。另一方面,“师”与“生”换位,可以使学生体会到老师备课、上课的艰辛与不易,有助于鞭策学生更加认真听讲。
3 立体化的实习实践教学
根据《工艺》课程实际情况,将课堂教学与课程实验、社会实践相结合,理论联系实际。我们开设了最基本的半导体平面工艺实验,如氧化、扩散、光刻、淀积(或蒸发)。实验要求每组学生用抛光硅片,通过氧化、光刻、扩散、蒸铝等工序制备晶体管,测试分析其放大特性和击穿特性,并对工艺环境和成品率进行分析和评价。其实验内容涉及固体物理,半导体物理,晶体管原理,微电子工艺原理,半导体材料等课程的相关知识,是一个典型的综合性、研究型实验。通过实验教学,既培养了学生的实际动手能力,又使学生掌握了科学的分析问题的方法,加深了对半导体平面工艺技术和原理的理解,激发了学生的学习兴趣。另一方面,鼓励学生参加科研项目,安排学生暑期到半导体生产基地观摩、实习,了解硅片制备和芯片制造工艺过程。也可以让学生利用半导体器件和微电子工艺知识,使用实验室的MATLAB、Medici和ISE软件仿真设计半导体器件和半导体IC设计工艺流程,并采用Tsuprem工艺软件仿真验证,从而巩固所学理论知识,熟悉设计半导体IC的流程。
4 多元化的过程性评价
为了更合理科学地考核学生,我们建立了多元化的考试评价体系,该评价体系打破了以往以期末考试成绩为主的成绩评定方法,经过了多年的实践与完善,我们为该课程确立了多方面的考核因素和成绩计算公式:总评成绩=作业(30%)+实践作品(15%)+期末考试(45%)+考勤(10%) [4]。这种多维度、过程性的成绩评定方法,强调了学习的积累与构建过程,消除了学生重理论轻实践,考前死记硬背应付考试的弊病。
四 “混合式立体化”教学模式的应用效果分析
“混合式立体化”教学模式与传统的教学模式有着明显的区别(如表1所示),我校自实施以来,《工艺》课程教学深受学生们的欢迎,教学效果明显,特别是学生的创新意识和实践动手能力有了显著提高。我校教务处对近三年来电科专业(国家级大学生创新性实验计划)SIT申报立项与获奖情况及毕业生在国家级、省级重点企事业单位的就业率进行了抽样调查,具体结果如表2和表3所示:
此外,我校已将《工艺》课程教学改革立项为校级重点教学改革项目,对于所需资金和硬件设施给予全力支持,所得成效在本校产生了较大影响,成为湖南大学电科类专业课程改革的先驱。
五 结论
在《工艺》课程教学中运用“混合式立体化”教学模式,突破了传统单向死板的以知识传授为主的教学模式,为学习者提供了一个图文声像并茂、形象直观的交互界面,还为其提供了符合人类联想思维与联想记忆特点的、按超文本结构组织的大规模知识库与媒体库,对于提高学习者的创新意识和实践动手能力创造了有利的条件,实现了课堂教学过程的最优化和教学质量的提高。然而,“混合式立体化”教学模式在形成时就包含有一定的预测性、设计性和不完善性,我们只有坚持在实践中不断地改革与探索,经历一个“适应―调整―完善―升华”的实践探索过程,才能将其逐步趋于完善,使其在培养微电子工艺应用型创新人才的过程中发挥巨大的作用。
参考文献
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一、信息科技与现代通信
信息技术涵盖信息的采集、变换、存储、处理、传送、接收和再现。电子学研究电子的运动、电磁波的传播和它们之间的相互作用。建立在麦克斯韦电磁理论基础上的电子学,是当代信息技术最主要的手段。1887年德国物理学家赫兹发现电磁波及1897年英国物理学家汤姆孙发现电子,标志着电子学的开端。在赫兹实验的基础上,1895年意大利科学家马可尼进行了2.5公里的无线电报传送实验。1901年跨越大西洋3200公里的无线电报实验获得成功,这是远程通信的一件划时代的大事。此后,人类陆续发明了无线电广播、电视等。
第一代电子器件电子管,建立在热电子发射的基础上。1904年,英国物理学家弗莱明发明二极管;1906年,美国的德福雷斯特发明三极管。20世纪上半叶的电子设备,如广播电视的发射接收装置、雷达、计算机等,全部使用电子管。
1947年肖克利、巴丁、布拉坦发明了晶体管。晶体管使电子设备具有省电、小型化、可靠性高的优点,开辟了电子学的新时代。
物理学最新成果的大量采用,使光通信、移动通信产业以空前的速度和规模发展。仅我国,手机用户即已近4亿。物理学的发展必将使21世纪信息技术发生飞跃。
二、材料科学与新材料
物理学是材料科学的重要基础。量子力学、凝聚态物理学,特别是固体物理学和能带理论极大地推动了材料科学的发展。现代物理学的发展,导致了诸如半导体材料、光电材料、超导材料、复合功能材料、纳米材料、软物质材料等大量具有独特性能的新材料出现,并将不断地为研制新型材料、改善材料性能提供新的理论和实验手段。
人工晶体用人工方法生长的单晶体在激光产生、非线性光学、光探测、辐射探测、换能器等方面都有重要应用。我国在这一领域具有一定优势。
三、物理学手段与现代医学
物理学手段在现代医学中得到广泛应用,它们既用于诊断——x射线透视、B超、计算机断层成像即CT、磁共振成像即HRI,又用于治疗——超声波粉碎结石、激光手术、伽玛刀。
四、计量与全球定位系统GPS
计时标准:从观测天体到使用各种物理方法,人类计时精度不断提高。
全球定位系统GPS,由24颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成,卫星上安装了高精度的原子钟。卫星高度2万公里。它是一个全天候的自动定位和导航系统,通过接收GPS卫星发射的时间—频率信号,判断和计算接收者的位置。经过广义相对论修正(时钟快慢随引力场强度而变)的GPS精度可在1米以内。现在的GPS系统已可装备到家用汽车上。
五、物理学与激光技术
1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念,奠定了激光的理论基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象:当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”,受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。1958年,贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文,奠定了激光发展的基础。1960年,美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料,用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源,获得了人类有史以来的第一束激光。1965年,第一台可产生大功率激光的器件——二氧化碳激光器诞生。1967年,第一台X射线激光器研制成功。1997年,美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。
六、物理学与国家安全
现代战争是高科技的战争,物理学在国防现代化中起着核心的作用。核武器是释放核能的大规模杀伤性武器。1945年美国首先制成原子弹,并投放到日本的广岛和长崎。为了对抗核讹诈,1964年我国成功试爆了第一颗原子弹,1967年成功试爆了第一颗氢弹。研制“两弹一星”的23位功勋科学家中有13位物理学家。
1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划
由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了国家级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。
（1）发达国家和地区雄心勃勃
为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。
日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。
欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。
（2）新兴工业化经济体瞄准先机
意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。
中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。
（3）发展中大国奋力赶超
综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。
2、纳米科技研发投入一路攀升
纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。
美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。
日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。
在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。
中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。
就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。
另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。
3、世界各国纳米科技发展各有千秋
各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。
（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下
根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。
2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。
在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。
另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。（2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头
据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。
专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。
（3）就整体而言纳米科技大国各有所长
美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。
虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。
日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。
在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。
日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。
日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。
欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。
中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
4、纳米技术产业化步伐加快
目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。
美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。
美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。
日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。
欧盟于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出：建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。
本文简要介绍了在动态位移测试中常用的霍尔元件和激光位移两种非接触式位移传感器基本原理。通过对比试验研究了它们的频响、抗干扰能力、精度等主要特性。确定了用激光位移传感器替代霍尔元件位移传感器运用于结构件动响应位移测试中。
【关键词】动态位移测量 霍尔元件 激光位移传感器
1 引言
随着航空事业的不断发展，鸟撞试验越来越受到航空部门的重视。飞机与飞鸟相撞过程属高速软体撞击过程，最大撞击时速可达1千多公里甚至更高，而整个撞击过程仅为几毫秒。位移测量必须满足动态非接触式高速连续测量的要求，这是一般接触式传感器无法满足的。传统采用霍尔元件位移传感器进行鸟撞试验中试验件的动态位移测量，但是随着飞机、武器装备研制向更高精度方向发展，这种霍尔元件位移传感器已经越来越多地暴露出精度低、量程短、易受环境干扰等缺点，已经制约了测量精度的提高，不能满足新武器装备的研制需要。
随着激光测量技术的广泛应用，激光位移传感器因其量程大、分辨率高、抗干扰能力强、安装定位简单，能满足更高的要求，也越来越多的应用于各种工业场合。并逐渐取代霍尔元件成为非接触测量的主要技术手段。
2 霍尔元件位移传感器原理
霍尔元件以霍尔效应为其工作基础。如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为
式中d为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
上述效应称为霍尔效应，。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。但由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它的输出为模拟电压量。
在磁场中，霍尔元件的输出电压随磁场强度的改变而改变。因此，将小磁块粘贴在被测物表面，将霍尔元件与其相隔一适当距离放置，当被测物受力发生位移而使磁块与霍尔元件的距离发生改变时，霍尔元件的输出电压亦将产生变化，检测这一电压变化量，即可从事先标定的位移―电压关系曲线中定量确定被测物的位移量。
3 激光位移传感器基本原理
激光位移传感器利用三角测量法。其最大优点是非接触式测量。随着激光器的诞生、光电扫描技术的发展、计算机控制和数据处理的应用，使这种传统的方法有了新的进展和应用。
最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面，在另一个方向通过成像观察反射光点的位移。由于入射和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法。激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体的表面，物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接受来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点位置探测器敏感面上。但由于传感器激光束与被测面垂直，因此只有一个准确的调焦位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。为了提高精度，反射角θ1和θ2必须满足Scheimpflug条件，即 tgθ1=βtgθ2式中，β 为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦成像在探测器上，从而保证了精度。
4 两种传感器性能对比分析
为了比较两种不同原理位移传感器的具体性能，我们选用在动响应位移测试中经常使用的霍尔元件位移传感器，以及日本KEYENCE公司的新型LK-G400激光位移传感器，通过对比试验验证了它们的主要性能。
4.1 传感器频响测试
将频率为f Hz的正弦交变电压加在一个带有铁芯的线圈两端，根据法拉第电磁感应原理，线圈将产生频率为f Hz的交变磁场。在垂直于霍尔元件的方向加以频率f Hz的交变磁场，通过示波器检验输出，若霍尔传感器输出频率为f Hz的正弦电压，幅值不发生衰减，说明其频响为f Hz。通过试验霍尔传感器的频响能达到1 MHz 。
激光位移传感器的频响因受传感器激光接收器采样率、量程范围的影响，我们选取量程范围为±100mm，采样率为20us，此时频响达到50KHz，能满足试验的动响应测量要求。若只考虑频响要求，霍尔元件传感器频响范围要比激光位移传感器的频响范围宽。
4.2 抗干扰能力比较
选择在同一现场环境中进行了两种传感器的对比试验。同一试验测量场合，激光位移传感器的噪声信号要小，其抗干扰能力比霍尔元件提高很多。传感器附近的导磁性材质对霍尔元件的影响很大，霍尔元件位移传感器在某些小变形测量时甚至会出现因为干扰大而无法分辨或者错误的测量结果。
4.3 测量精度比较
为了比较两种传感器的精度，将完成静态标定的两种位移传感器分别接入信号采集系统，将两种传感器同时固定在精度为0.001mm的测长仪上进行验证。当相对移动距离为5.00、10.00、15.00、20.00、25.00、30.00、35.00、40.00mm时，霍尔元件位移传感器测量值为4.91、9.88、14.81、19.72、24.52、29.43、34.32、39.12mm；激光位移传感器测量值为4.995、9.993、14.995、19.993、24.991、29.992、34.993、39.994mm。激光位移传感器的测量误差比霍尔元件位移传感器的测量误差要减小一个数量级。大幅提高了试验测量精度。
4.4 传感器量程
霍尔元件位移传感器因为必须受到传感器磁铁磁场的作用才能探测位移量。因此量程受到很大制约。在用的40mm量程霍尔元件位移传感器经常出现满量程无法测量位移峰值，不能满足大位移试验测量要求。
激光位移传感器的量程受采样率设置的影响。采样率为20us时，量程为±100mm。能很好满足试验中动态位移测量要求。
5 结论
激光位移传感器替代霍尔元件位移传感器，成功应用于动态位移测量。本论文通过两种位移传感器原理的阐述和对比试验验证，确定激光位移传感器在抗干扰能力、试验精度等方面都有霍尔元件位移传感器不可比拟的优良特性，且其现场安装简单易行。能更好的运用于结构件强度试验动态位移非接触测量领域。为实现高可靠、高精度非接触式动态测量找寻了一种新的技术手段，提高了动响应测试能力。