УДК 621.3.049:002.56
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА В ПРИБОРОСТРОЕНИИ MICROELECTRONICS APLIED TO INSTRUMENT-MAKING
Першенков Вячеслав Сергеевич
д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Подлепецкий Борис Иванович
канд. техн. наук, доцент Е-mail: bipod45@gmail.com
Бочаров Юрий Иванович
канд. техн. наук, доцент Е-mail: yibocharov@mephi.ru
Шагурин Игорь Иванович
д-р техн. наук, профессор E-mail: ishagurin@inbox.ru
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Рассмотрены состояние и характерные тенденции развития элементно-компонентной базы электронного приборостроения. Дается анализ вклада достижений микроэлектроники в разработки современных датчиков, измерительных приборов и систем.
Ключевые слова: микроэлектроника, микро- и нанотехноло-гии, интегральные микросхемы, датчики, приборы и системы.
Pershenkov Viacheslav S.
D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department E-mail: vspershenkov@mephi.ru
Podlepetsky Boris. I.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: bipod45@gmail.com
Bocharov Yury I.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: yibocharov@mephi.ru
Shagurin Igor I.
D. Sc. (Technical), Professor Е-mail: ishagurin@inbox.ru
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: The state and characteristic progress of element-component base of electronic instrument-making trends are considered. The analysis of deposit of microelectronics in developments of modern sensors, measuring devices and systems is given.
Keywords: microelectronics, micro- and nanotechnologies, integrated circuits, sensors, devices and microsystems.
ВВЕДЕНИЕ
Микроэлектроника — научно-техническое направление, связанное с разработкой, производством и применением интегральных микросхем (ИМС) [1]. Датой рождения микроэлектроники считается 1959 год — год создания первой интегральной микросхемы, патенты на изобретения которой получили независимо Джек Килби (фирма "Texas instruments") и Роберт Нойс (фирма "Fairchild Semiconductor") [2, 3]. Первый из них в 1958 г. изготовил и испытал макет германиевой ИМС, ставшей прототипом серийных микросхем для использования в системе наведения ракеты "Минитмен" [4]. Работы Килби были оценены в 2000 г. Нобелевской премией в области физики.
Нойс предложил создавать ИМС на кремнии и разработал основы пла-нарной технологии. С 1961 г. фирма "Fairchild Semiconductor" начала серийно выпускать кремниевые цифровые интегральные микросхемы. В 1968 г. Нойс и его коллега Гордон Мур основали корпорацию "Intel", а спустя два года они создали первую микросхему оперативной памяти Intel 1103 [3]. Нойс был руководителем проекта по созданию первого микропроцессора Intel 4004, выпущенного в 1971 г. Затем корпорация "Intel" стала лидером по производству микропроцессоров [5]. Цифровые ИМС сразу нашли применение в производстве калькуляторов и компьютеров вместо дискретных транзисторов, что позволило значительно уменьшить размеры
вычислительных устройств, одновременно повысив их производительность.
Первые отечественные кремниевые интегральные микросхемы серии ТС-100 были разработаны в 1962—1965 годы. Следует отметить, что в СССР на первом этапе развития микроэлектроники действовали концепции повторения американского опыта, и отечественные разработки соответствовали уровню производства ИМС в США с задержкой в 2—3 года. В СССР в середине 1970-х годов был освоен выпуск цифровых и аналоговых ИМС, которые стали широко использоваться в приборостроении.
В результате научно-технического прогресса существенно изменился "облик" измерительной тех-
Окружающая среда
Рис. 1. Обобщенная структурно-функциональная схема современных ИУС:
1 — объект измерения и(или) управления; 2 — основные датчики; 3 — дополнительные датчики; 4 — устройства нормализации и вторичного преобразования сигналов датчиков (устройства сбора данных); 5 — каналы передачи измерительных данных; 6 — устройства обработки данных; 7 — устройства отображения информации; 8 — пользователь; 9 — устройства управления; 10 — каналы передачи управляющих данных; 11 — исполнительные устройства; 12 — внешние влияющие факторы; 13 — "интеллектуальные" датчики [7]. {Хг| и {2/} — совокупности основных измеряемых величин и параметров внешних влияющих факторов соответственно. Штриховыми линиями показаны возможные связи, обеспечивающие функции управления в системе. Затемнены устройства, которые могут быть изготовлены в виде ИМС
ники. Так, 50 лет назад основными измерительными средствами были устройства и приборы для измерения одной величины и преобладали преобразователи физических величин в неэлектрический сигнал (например, изменение температуры или давления — линейное перемещение столбика ртути, изменение силы — механическое перемещение стрелки упругого элемента). Современные средства измерения представляют собой, как правило, электронные устройства, приборы или системы, в которых измеряемые величины преобразуются в электрические сигналы, параметры которых обрабатываются электронными вычислительными устройствами. Характерными тенденциями развития средств измерения стали их электронизация, миниатюризация, компьютеризация и интеллектуализация [6].
Начиная с 1960-х годов прогресс в развитии измерительной техники был обусловлен созданием микроэлектронных измерительных средств (МЭИС) — измерительных приборов и систем на основе ИМС и датчиков, изготовленных с применением микро- и нанотехноло-гий. Принципы агрегатирования и интеграции электронных компонентов (например, модульные конструкции) использовались в приборостроении еще до появления микроэлектроники в 1950—1960-х годах. Однако именно микроэлектроника на основе интеграции элементов с применением микро- и нанотехно-логий позволила совершить революционные преобразования в повышении качества электронной измерительной техники.
Миниатюризация элементно-компонентной базы обеспечивалась
за счет повышения степени интеграции ИМС (уменьшения габаритов элементов и увеличения размеров чипов). В 1965 г. Гордон Мур сформулировал закон миниатюризации, согласно которому каждые два года количество транзисторов в интегральной схеме будет удваиваться [3]. В этом же году в СССР в Московском инженерно-физическом институте была создана первая кафедра микроэлектроники. Научная деятельность кафедры с 1970-х годов была направлена на разработку интегральных датчиков, операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей, схем памяти и микропроцессоров.
Применение МЭИС позволило существенно уменьшить массу и габариты приборов и систем, потребляемую мощность и стоимость средств измерения. В результате миниатюризации элементно-компонентной базы увеличились количество измерительных каналов и число измеряемых величин. Обобщенная структурно-функциональная схема современных измерительно-управляющих систем (ИУС) представлена на рис. 1.
Функции сбора, передачи, обработки, хранения и отображения измеряемых данных выполняются соответствующими устройствами 2— 7 и 13 на рис. 1, совокупность которых представляет собой измерительно-информационную систему (ИИС). Уровень современных технологий позволяет создавать приборы и ИИС полностью на ИМС (микроэлектронные приборы и системы), а также микросистемы — системы в виде сверхбольших интегральных микросхем или микросборок. Характерными особенностями современных ИИС является наличие внутренних обратных связей, устройств и программных средств, обеспечивающих функции управления измерением, самоконтроля и коррекции функциональных, метрологических и эксплуатационных характеристик системы (адаптивные системы). Такие измерительные
Рис. 2. Обобщенная структурно-функциональная схема интегрального датчика, включенного в измерительный канал:
X,- и Ъ,- — основные (измеряемые) и дополнительные (параметры влияющих факторов) информативные входные величины датчика; У^ — информативные параметры выходных величин; 1, 2 и 3 — чувствительные компоненты или элементы первичного преобразования основных, дополнительных и вспомогательных величин соответственно; 4 — компоненты или элементы вторичного преобразования и устройств сбора данных; 5 и 6 — основные или дополнительные актюаторные компоненты или элементы; 7 — внутренние устройства управления обработки и хранения данных; 8 — корпус датчика; 9 — вход от внешних управляющих устройств
системы с функцией метрологического самоконтроля называют интеллектуальными измерительными системами [7]. Большинство микроэлектронных ИИС можно считать интеллектуальными системами. В многоканальных ИИС управление "интеллектуальными" датчиками может осуществляться с помощью стандартных средств обмена данными (например, ИЛЯТ-протокол).
Интеллектуализация МЭИС реализуется на основе компьютеризации — применения микропроцессоров и микрокомпьютеров, что позволило значительно улучшить метрологические и эксплуатационные характеристики приборов и систем. Повысились функциональная сложность, точность и быстродействие измерений, расширились номенклатура и области применения МЭИС. Применение ИМС и интегральных датчиков позволяет создавать цифровые мобильные средства связи, малогабаритные навигационные системы и сложные сенсорные системы: "электронные глаза" (фото- и видеокамеры), "электронные носы" и "электронные языки" для определения малых концентраций веществ в жидких и газообразных средах.
Рассмотрим состояние и характерные тенденции развития элементно-компонентной базы микроэлектронного приборостроения.
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ
Преобразователи физических величин или датчики, изготавливаемые с использованием микро- или нанотехнологий называют обычно микроэлектронными. Микроэлектронные датчики и преобразователи, могут состоять из одного элемента (дискретные) или из нескольких элементов или компонентов (интегральные датчики или преобразователи). Интегральные датчики по конструктивно-технологическому признаку можно разделить на полупроводниковые, пленочные, гибридно-пленочные и микросборки.
Интегральные полупроводниковые датчики (ИД) представляют
собой один
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.