集成电路研究分析

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集成电路研究分析范文第1篇

【关键词】集成电路版图；CD4011B；CMOS工艺

1.引言

集成电路产业是最能体现知识经济特征的高技术产业[1]。以集成电路为主要技术的微电子产业的高度发展促进了现代社会的电子化、信息化、自动化，并引起了人们社会生活的巨大变革。集成电路布图设计（以下简称版图设计）在集成电路设计中占有十分重要的作用。版图设计是指集成电路中至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或者全部互连线路的三维配置，或者为制造集成电路而准备的上述三维配置[2]。集成电路芯片流片成本高，必须保证较高的成品率，版图设计人员应具有扎实理论基础和丰富的实践经验。典型芯片是经过实践检验性能优越，所以，通过研究已有的典型芯片版图是提高设计能力的有效途径。

版图设计是在一定的工艺条件基础上根据芯片的功能要求而设计的。目前，集成电路的主要工艺有三种，分别是双极工艺、CMOS工艺和BICMOS工艺[3][4]。其中CMOS工艺芯片由于功耗低、集成度高等特点而应用最广泛，所以，研究CMOS工艺芯片版图具有更重要的意义。

本文对CD4011B芯片进行了逆向解析，通过研究掌握了该芯片的设计思想和单元器件结构，对于提高CMOS集成电路设计水平是十分有益的。

2.芯片分层拍照

3.单元结构

4.电路图和仿真

5.结论

本文采用化学方法对CD4011B芯片进行了分层拍照，提取了电路图，仿真验证正确。从芯片的版图分析，该芯片采用NMOS场效应晶体管、PMOS场效应晶体管、PN结二极管和基区电阻等器件单元，四个与非门版图一致且对称布局。该芯片采用典型的CMOS工艺，为了节省面积采用叉指场效应晶体管，输入和输出端采用防静电保护结构。电路为典型的CMOS与非门电路。该芯片的版图布局体现了设计的合理性和科学性。

参考文献

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作者简介：

王健（1965—），男，辽宁沈阳人，硕士，沈阳化工大学信息工程学院副教授，研究方向：微机电系统设计。

集成电路研究分析范文第2篇

关键词：超大规模集成电路；系统级；寄存器传输级；逻辑级；晶体管级；可靠性评估

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)01-0204-03

An Overview of the Reliability Evaluation of Very Large Scale Integrated Circuits

ZHU Xu-guang

(Department of Computer Science and Technology, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: To meet the high performance requirements of SoC (System on Chips), the density and complexity of VLSI is increasing contin? ually, and these have negative impacts on circuit reliability. Hence, accurate reliability estimation of VLSI has become an important issue. This paper has introduced the problems and the existing reliability techniques of reliability estimation based on the early achievements. Fi? nally, this paper described the further work, the deficiency and difficulties of the current work combined with the author’s working.

Key words: VLSI; system level; register transfer level; logic level; transistor level; reliability evaluation

超大规模集成(very large-scale integrated, VLSI)电路及其相关技术是现代电子信息技术迅速发展的关键因素和核心技术，对国防建设、国民经济和科学技术的发展起着巨大的推动作用。人们对信息技术产品(主要指数字计算系统)的依赖程度越来越大，这直接牵涉到人们的生活质量，甚至关系到人类生命、财产的安全问题。因此，当前人们在应用这些产品的同时，必然会提出更高的要求，即除了传统意义上的要求和标准以外，还提出了更重要的评价体系---系统所提供服务的“可靠性”标准问题[1]。

目前，军事电子、航空航天、工业、交通、通讯，乃至普通人的个人生活都对VLSI电路和系统提出了越来越高的可靠性要求，而同时随着集成电路技术的发展，尤其是深亚微米、纳米工艺的应用、电路规模不断扩大，特征尺寸不断缩小，电路密度不断提高，给芯片的可靠性带来了严峻的挑战。因此，对VLSI电路的高可靠性研究变得越来越重要。可靠性技术研究一般包括可靠性设计与模拟、可靠性试验与评估、工艺过程质量控制、失效机理与模型研究，以及失效分析技术等五个主要的技术方向。

传统上对VLSI电路可靠性的研究主要是针对制造过程的，内容包括成品率计算模型、缺陷分布模型、软(硬)故障影响的可靠性模型、电路的串扰与延迟、电路可靠性与成品率的关系等。在集成电路制造过程中，由于各种工艺扰动会不可避免地在硅片上引入缺陷，从而引起集成电路结构的局部畸变。这些局部畸变可能改变电路的拓扑结构，导致集成电路成品率下降。因此，缺陷的几何模型、粒径分布是影响成品率的重要因素之一。另外，在深亚微米和纳米工艺下，软故障的干扰越来越严重，相关的研究包括软故障影响下导线可靠性模型、故障关键面积计算等。已有的研究表明可靠性和成品率存在正相关关系，其正相关性需要考虑线宽、线间距等版图的几何信息和与工艺相关的缺陷粒径分布等参数。面向制造过程的可靠性研究准确性好但存在较大的计算开销。

于是在制造出集成电路产品后，通过筛选和可靠性试验估计其可靠性，并采用加速寿命试验确定产品的平均寿命。如果发现可靠性不满足要求，就要从设计和工艺角度进行分析，并加以改进。长期以来，评价器件质量和可靠性的方法分为三类[2]：（1）批接收抽样检验，检验该批产品是否满足产品规范要求；（2）可靠性寿命试验，评价产品的可靠性水平；（3）从现场收集并积累使用寿命数据，评价相应产品的使用质量和可靠性。

近年来，VLSI电路集成度不断提高，同时可靠性水平也迅速提高，传统的评价方法暴露出了各种各样的问题，如批接收抽样检验方法因分辩能力有限而不能有效区分高水平产品质量之间的区别；可靠性寿命试验方法因要求的样本数太多而导致成本上升；基于现场数据收集的方法因存在“滞后性”而不能及时对产品质量进行评价等，这就促使人们开始研究新的评估技术。

当前对可靠性研究主要的数学模型有[3]：可靠性框图模型、故障树模型、马尔科夫模型、Petri网模型、状态空间分解模型及概率模型等。

虽然这些模型较好的解决了一系列的问题，但是在对VLSI电路进行分析时，由于没有涉及到电路的具体逻辑结构，也就是说只是粗略的分析了一下电路的可靠性，这是不够准确的，当然也是具有现实参考价值的。

在下一步工作中，作者将深入到电路的具体逻辑层和现实的环境当中，对其进行更加深入和具体的研究，以便给出更加准确和 更有价值的计算值。

1不同层面可靠性评估

对数字VLSI电路进行模型化或设计描述,按照抽象级别由高到低大致可以分为行为级、寄存器传输级、逻辑级、电路级、晶体管级。目前，可靠性评估方法的研究主要集中在电路逻辑级以上，通过故障注入或模拟的方法分析信号可靠性。

一般而言，电路可靠性分析基于抽象级别越高，时间开销越少，能用于大规模电路或者处理器系统的评估，但是由于远离物理实现，准确性低。反之，分析的抽象级别越低，必然考虑低层实现中的缺陷分布，环境因素等参数，越接近芯片制造的真实过程，所以更加准确，但是存在一个普遍问题是耗时大，无法用于复杂电路。

1.1行为级可靠性评估

在高层测试可以及早地发现设计错误，便于及时修改，减少设计成本，缩短研发时间。当前集成电路高层测试所面临的最大困难是：缺少能准确描述高层故障实际类型的故障模型，并且模型的评估方式也较单一。

目前，国内外学者对高层故障模型的研究已做了许多有益的工作，如：模仿软件测试的覆盖方法(包括状态覆盖、语句覆盖、分枝覆盖等)、基于电路结构提出的故障模型等。这些故障模型在处理某类电路时都表现出了一定的优势，但是并非对所有类型电路都有效。这也表明，当前高层故障模型依然不够成熟；高层故障模型与门级网表中的SA(固定型故障模型)故障之间的关系依然不清晰；模型的评估也有待于改进。现存的故障模型中，比较成功的有：传输故障模型[4]，变量固定型模型[5]。对模型的评估，常用的方法是覆盖率评估，一般分为两步，如图1所示：(1)依提出的故障模型作测试生成，得到测试向量；(2)将测试向量在门级网表作模拟，计算其对SA故障的覆盖率。另外还有一些是考虑电路的可观测性的测试生成与评估方法[6]。总之，这些评估方法，都是基于对SA故障覆盖率的计算。

图1两个高层故障模型评估

1.2逻辑级可靠性评估

正如上文所述，评估方法所对应的电路抽象级别越高，其准确性则越低。而同一抽象层次上不同类型的方法相比，解析方法最为省时。逻辑级的解析模型方法相对准确，且易于理解和操作。

由于逻辑电路对差错具有一定的屏蔽作用，作为瞬时故障的软差错并非一定会导致电路锁存错误内容或者输出错误结果，因此，建立概率模型来评估逻辑级电路可靠性是合理的。

逻辑级概率模型通过计算发生在电路逻辑门或线节点差错传播到原始输出的概率来衡量其失效率，考虑了电路的拓扑结构和传播路径信息，并与组成电路的各个门类型和连接方式有关，如图2所示，目前典型的方法包括：计算单个输出节点软差错率的TP方法[7]，通过计算差错传播率表征电路软差错率的EPP方法[8]，以及通过概率转移矩阵模型评测整个电路可靠度的PTM方法[9]。其中，TP方法和EPP方法只计算部分电路的失效率，而PTM可以度量整个电路的可靠性。但是，未经优化的TP、PTM算法的计算时空开销较大，只能适用于小规模电路。基于PTM方法具有良好的完备性，并且模型简单而准确，为解决其因时空复杂度大而不能直接用于大规模电路的问题，文献[2]对PTM方法进行了深入的研究，并提出了合理的改进方法。

1.3晶体管级可靠性评估

超深亚微米下的CMOS电路可靠性是由MOSFET的微观失效机制来决定的,对CMOS电路可靠性的评估和改善应该在失效模式分析和对基本物理失效机制正确理解的基础上进行。因此在对电路可靠性进行评估时，需要进行下面四方面的工作：

1)对MOSFET栅氧层退化机制进行建模。MOSFET中热载流子注入效应、负偏置温度不稳定性、栅氧可靠性的经时击穿效应这三种失效机制是影响到超大规模CMOS电路长期工作可靠性的最主要因素。它们都是由氧化层陷阱电荷作用或界面态积累作用而导致了栅氧层作用的退化而造成器件特性的退化。

2）对产生局部氧化层损伤的MOSFET器件行为进行建模。MOSFET中的HCI和NBTI效应都会对器件的主要I-V特性参数产和程度不同的影响。

3）在电路长时工作条件下，对器件栅氧层退化进行仿真。正常的电路中器件一般都是处在AC应力条件下，要对电路的可靠性进行准确的评价，必须先要能够对AC应力下MOSFET长时间工作后的器件性能进行评价。

4）评价处于失效应力作用下的整体电路的性能。

电路可靠性研究的一个重要部分集中在器件级设计[10]，其包括：对失效机制更好的理解和建模；圆片级测试结构的革新以改善可靠性控制；阻止器件退化的结构的研究。其中，器件退化对电路性能的影响受到了更多的关注。在设计阶段预测电路可靠性的方法有着非常大的价值。随着可靠性仿真技术的逐渐成熟，芯片的可靠性设计概念被提上了日程。对最终的电路可靠性评价在IC设计阶段完成，大大降低了芯片设计风险。图3为晶体管级电路的结构。

图3晶体管级电路结构图

从以上可知，可以从不同层面来对VLSI电路进行可靠性评估，不同层面的可靠性评估有其不同的优势与不足。较低层次的可靠性分析通常比较准确，但是其功耗和时间开销大，只能对中小型电路进行分析。高层次的可靠性分析由于远离物理实现，准确性低，但是可处理性好。根据作者的研究认为，兼顾准确性和可处理性是对可靠性研究的突破点，这就要将电路的不同层次间相互映射，以尽可能贴近电路的真实行为。从而在电路的设计阶段就能够比较准确地估计其可靠性，尽早调整改进，避免出现因结构设计上的不足而导致的芯片缺陷，从而提高芯片的可靠性和成品率，缩短芯片的设计和生产周期。

2结论

由IBM、Sony、Motorola等多家知名半导体公司最新研究进展表明，可靠性问题始终伴随着半导体器件与大规模集成电路的发展和应用，随着集成电路技术的发展，VLSI电路的可靠性问题变得越来越突出。加强对半导体器件与集成电路的可靠性分析、模拟、评估和改进已经成为超大规模集成电路发展中的重要课题。目前VLSI电路的可靠性研究得到广泛的关注，对越来越多的失效模式和机理进行了研究，并且从理论和实践上不断提出了改进方法，这些研究成果为可靠性增长提供了评价标准与依据。

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集成电路研究分析范文第3篇

关键词：氧化锌避雷器、接触网、相角差法

0 引 言

根据铁路中长期发展规划：“十一五”期间建成7000公里高速客运专线，到2020年左右，我国将建成线路长度约1.2万km的高速铁路，而“十一五”期间建成7000公里高速客运专线。按未来15年高速铁路将建设2万公里计算，将有约一万公里高速铁路区段处在多雷区、雷电活动特殊强烈地区，而截至目前，雷电事件，已给铁路客运系统造成多起安全故障[1]。

以“723”甬温线事故为例，2011年7月23日19时30分左右，雷击温州南站沿线铁路牵引供电接触网或附近大地，通过大地的阻性耦合或空间感性耦合在信号电缆上产生浪涌电压，在多次雷击浪涌电压和直流电流共同作用下，LKD2-T1型列控中心设备采集驱动单元采集电路电源回路中的保险管熔断[2]。同时，雷击也造成轨道电路与列控中心信号传输的CAN总线阻抗下降，导致5829AG轨道电路与列控中心之间出现通信故障，雷击是造成此次事故的首要原因。

根据事故所在区域雷击数据进行的统计分析[2]，7月23日19时27分至19时34分，温州南站至永嘉站、温州南站至瓯海站铁路沿线走廊内的雷电活动异常强烈，雷击地闪次数超过340次，每次雷击包含多次回击过程，幅值超过100千安的雷击共出现11次。

在高速铁路发达的欧洲中部地区每100公里接触网在1年时间内才可能遭受1次雷击[3]。基于这样的雷击概率数据，德国采用的方法是在雷电较多的地段安装避雷器，而在其它雷电较少的区段，一般不考虑安装避雷器等防雷装置。而与德国相比，日本的地理环境、气象环境完全不同，因此对电气化接触网的保护措施也截然不同。日本根据雷击频度及线路重要程度，将防雷等级划分为A、B、C三级区域。A级区域雷害严重且线路重要，全线接触网都架设避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头连接处、架空避雷线接地线终端等重要部位设置避雷器；B级区域雷害较重且线路重要，对部分特别地段的接触网架设避雷线，同时在与A级区域相同的重要位置安装避雷器；对于C级区域，一般只在一些重要位置安置避雷器[3]。

对于雷电的形成来分析，我国很多地区（比如西南地区、东南沿海地区）有类似于日本的地理和气象环境，但铁路接触网的防雷保护却没有吸取日本高铁的经验，反而机械地学习了德国经验，所以在高速铁路刚发展的几年内，不可避免的由于雷电影响而造成多起事故，给人们的生产、生活带来了深刻的负面影响。

因此电气化铁路接触网的防雷避雷形势十分严峻，避雷器作为电力系统中常规的避雷防雷装置，将会在铁路接触网系统中得到普遍的应用，而其状态性能的好坏也将直接关系到整个牵引系统防雷工作的成败，因此对电气化接触网避雷器性能状态监测的研究势在必行！

避雷器性能优劣检测原理与监测方法仍然沿用电力系统中的常用的研究方法。但铁路牵引系统与电力系统相比具有负荷移动、方式多变等特点，加之接触网与电网不同的拓扑结构，导致对接触网用避雷器进行状态性能检测的时候面临谐波电流复杂、频繁操作过电压等诸多新的问题。

1 铁路接触网特性分析

本课题所针对的避雷器运行的背景环境是牵引供电系统，它是指三相电力系统接受电能向单相交流电气化铁道行驶的列车输送电能的电气网络，主要构成部分如图1所示。牵引变电所控制及变换电能，转换接触网与电力系统之间的电压，接触网则负责向列车供给电能，我国干线电气化铁道的供电制式是工频单相交流制，接触网的额定电压是25kv[4]。

图1 牵引供电系统结构图

负荷的特殊性决定了接触网的特征不同于一般三相输配电网络，主要原因有以下几点：

1、 电力机车是大功率单相负荷。

2、 电力机车是移动性负荷，由于电气化铁道线路的条件多变，机车在行进过程中阻力也不断的变化，频繁地在起动、加速、惰行、制动等工况之间转换，机车负荷的剧烈波动容易造成接触网电压异常波动，容易带来操作过电压影响。

3、 电力机车是非线性负荷，我国大量采用的交直流型电力机车，主电路一般都为相控整流电路，网侧电流含有较大谐波成分，且含所有奇数次谐波，包括3次及3的倍数次[4]。

本文主要针对接触网用避雷器的工作条件及背景环境，其他的有关牵引供电系统及接触网的内容不作为研究的对象，而能够给避雷器性能状态带来危害的谐波电流和电压波动也是本文分析的重点之一。

1.1 接触网谐波特性分析

在避雷器性能检测过程中，阻性电流值因其能够很好的反映避雷器的状态性能常用来判断避雷器性能优劣的重要依据。但是在谐波污染严重的情况下，阻性电流中就含有较大分量的谐波含量[5]，严重的影响了性能分析的精确性[6]。而在电气化铁路系统中，电力机车多采用PWM控制电路，容易给接触网带来严重的谐波污染[7]，谐波在接触网传播的过程中，当接触网参数与机车匹配时会发生谐振和严重的谐波放大[8]。根据CRH2动车组的模型仿真分析[9]，当机车在运行工况之间切换时，对应的输出功率会发生变化，由于基波与各谐波电流的变化不同步，导致不同输出功率下谐波电流含量的变化较大。由谐振引起的电压畸变，会进一步使机车谐波电流增大，形成了一个类似于正反馈的相互激励过程，导致接触网形成谐振过电压，烧损避雷器等设备 [10]。

因此，在避雷器性能监测分析的过程中，谐波含量的检测对避雷器工作状态的分析具有重要的作用[11]。基于场强法的谐波检测方法在笔者的论文[12]中已经具体阐述实现并已成功运用到本系统中。

1.2接触网电压波动分析

电气化铁路牵引负荷表现为移动且运行工况切换频繁的特点，是一种十分典型的日波动负荷，符合短时冲击的特点。接触网的电压波动与线路条件、机车类型、运行工况、机车速度、牵引重量等因素有关，且这些影响因素具有随机的特点。根据数据统计，接触网电压波动范围最大可达30%，同时电压峰值最高达到460V，波峰系数达到1.92，电压峰值的大范围变化对设备的安全构成了较大的隐患[13]，这其中也包含避雷器。因此在对避雷器性能在线监测的过程中，频繁的操作过电压将是一个值得深究的问题。

为此，在本系统中额外添加了避雷器运行过电压监测功能，设定运行过电压的阈值，并记录下运行过电压的时间和次数，有助于对避雷器性能状态和故障原因的研究分析。

2 氧化锌避雷器在线监测系统的结构设计

氧化锌避雷器在线监测系统主要由传感器、监测点装置、数据采集节点及上位机数据管理平台组成，其结构设计如图2所示，分别利用感应式电压传感器和电流互感器采集避雷器运行的电压信号和电流信号，每只避雷器有其固定的监测点装置，采集处理监测到的状态数据；一只数据采集节点可以处理多个监测点装置的监测数据，利用RS485实现多个数据采集节点与上位机之间的数据通信。

主控PC向下位机数据采集节点发出索要数据的控制指令后，节点根据接收的指令要求再向监测点装置索要当前的监测数据，监测点装置在收到指令后就按要求将监测数据回传给数据采集节点，节点确定收到监测数据之后，再将这些数据有次序的回传给主控PC，上下位机之间采用ModBus通信协议，并通过CRC校验，以保证数据传输的准确性。

图2 避雷器在线监测系统的结构设计

2.1 监测点电路结构设计

避雷器性能在线监测点主要完成避雷器运行电压及泄漏电流的采集、计算及其信号处理和组网通信等功能。整体结构由电流采集模块、电压采集模块、90E36信号处理模块，单片机控制模块、电源模块、RS485通信模块、雷击计数模块及LCD显示模块组成，其结构设计框图如图3所示。

图 3 监测点电路结构设计框图

2.2 RS485串行组网通信结构设计

在数据通信、计算机网络应用中，RS485是一种常用的串口通信标准，它是在RS232标准基础上发展起来的一种平衡传输标准，能够克服RS232通信距离短，速度低等缺点，其最高传输速率达到10Mbit/s，最远传输距离可达1200m；具备多点、双向通信功能，即可允许同一条总线上连接多达32个数据节点，而且节点驱动能力强、冲突保护特性好。由于RS485标准对接口要求的特殊性，用户亦可建立自己需要的通信协议。因此，本系统采用RS485标准组网通信，如图4所示，其中N≤32。

图4 RS485组网通信框图

3 结 论

在高速铁路刚发展的几年内，就因雷电影响造成多起列车停车晚点事故，给人们的生产、生活带来了深刻的负面影响，铁路系统的防雷避雷研究已经成为一个研究的热点课题。传统的避雷器的故障监测研究只针对于电力系统的应用背景，铁路牵引系统具有负荷移动、运行方式多变而造成的谐波电流复杂、频繁操作过电压等特点，而谐波电流和操作过电压都会严重的影响着避雷器性能状态。因此针对接触网系统的特殊性，本文提出了氧化锌避雷器性能在线监测的实现方法，并设计了在线监测点的硬件装置、数据采集节点及主控PC数据管理平台。经测试，本监测系统具备对避雷器阻性泄漏电流和相位差值进行精确检测，数据传输流畅，同时具有实时数据图形化显示，历史数据查询等功能。系统运行试验验证了理论分析和设计的正确性，为其它电气设备实时监测研究提供了重要的理论基础和实际的指导意义。

参考文献

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集成电路研究分析范文第4篇

〔关键词〕专利分析；技术路线图；技术创新；支撑作用；电动汽车；锂子电池

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2017.02.009

〔中图分类号〕G250252〔文献标识码〕A〔文章编号〕1008-0821（2017）02-0044-08

〔Abstract〕The article deeply analyzed the innovation patent characteristics in the process of technology roadmap and discussions the relationship between the patent analysis and the technological innovation.Based on Technological Innovation Perspective，the interaction relationships between the patent analysis method and the technology roadmap were explored.Then the paper constructed a patent analysis method for the technology roadmap of supporting function model，carried on the real diagnosis analysis by the patent analysis method in the electric automobile with the lithium ion battery technology road map formulation application，technology roadmap for formulation and implementation of development of innovative activities and provided effective guidance.

〔Key words〕the patent analysis；technical roadmap；technological innovation；support function；electric automobile；lithium ion battery

专利分析的重要性在于规划技术发展方向、突破技术壁垒障碍、拓展自主创新空间、减少研发经费，进而提升国际竞争优势。在技术高速发展的今天，科技界与产业界均高度重视专利分析的重要性。而技术路线图在国家、行业与企业技术预测与前景规划中的应用日益增多。因此，在技术路线图的制定过程中引入专利分析技术对于推动技术创新、提升区域专利竞争力乃至区域创新能力均具有重要的理论价值与实践意义。

1技术路线图制定过程中技术创新活动的专利特征分析11技术路线图制定过程中的技术创新活动分解

在企业的技术决策、产业规划和政府部门战略规划当中常常应用技术路线图，它的使用能够对技术创新活动进行有效管理，预测产业未来市场所需的技术与产品，引导技术研发决策，降低技术创新风险[1]。对技术路线图制定过程汇总的技术创新活动进行分解，如图1所示：

12技术路线图制定过程中的技术创新活动的专利特征第一，技术路线图制定过程中的技术创新反映于产业专利偏好。不同领域技术创新活动的专利偏好不同，主要有两方面原因：其一为技术本身的创新性；其二为技术的保密性。在刨除技术的保密性后，技术创新差异使得技术领域的偏好不同，在技术生命周期、技术发展过程、技术热点演变等方面得以体现[2]。

第二，技术路线图制定过程中技术创新的领域分类在专利分类上的迁移。专利的技术领域分类是创新领域界定的基础，国际上均采用IPC分类标准，即International Patent Classification，在具体研究中，行业或技术领域的界定是指由某一个或某些IPC所界定的范围，根据主题概念将其转换到IPC分类中（可能是多），随后根据IPC分类对专利的相关信息进行查找[3]。

第三，专利信息反映了技术路线图制定中的技术创新的特点。通过对专利信息进行分析能够反映技术路线图制定过程中的技术创新特点，包括创新主体、创新过程、直接反映的创新产出以及创新行业间的关联，同时也包括间接反映的创新投入以及创新组合模式等。在研究技术路线图制定过程中技术创新所使用的某些专业术语，也来自于专利分析或者专利数据库[4]。

第四，专利信息的时间序列是技术路线图制定过程中创新活动的回溯基础。专利申请活动的时间节点组成专利信息的时间序列，记录着创新活动随着时间的推移，记载着创新活动的整个发展轨迹，成为创新过程回溯分析的基础。

2技术创新视角下专利分析方法的内容分解

21专利分析内容作为技术创新活动指标的研究与应用在技术创新的实证研究中，专利作为衡量创新活动的指标被学者们用于刻画与反映技术变化对经济活动的影响上。国外学者Pavitt（1982）对研究开发活动、专利与创新活动进行统计分析，利用专利数据对不同国家的创新活动进行比较，通过不同领域的专利信息反映相关创新活动的效率与方向[5]。许多学者在识别技术发展态势、判断技术发展轨迹以及热门关键技术时，常常运用专利信息分析。专利是研究某一领域技术变化以及相关问题的核心主线，具体包括以下4个研究层面：

第一，对比不同国家和区域间的创新活动。通过考察国内外专利活动差异以反映不同地区创新活动的体量差异。如Pavitt和Soete（1981）通过研究发现不同国家研究开发经费与单位人均专利具有良好的线性关系，但相关性会随着各国专利制度的不同而呈现出一定的差异[6]。

第二，对比不同行业之间的创新活动。产业行业的专利活动分布数据主要有以下两个方面的应用：其一，用于对创新活动之间关系的理论和模型进行统计和检验；其二，用于对经济和社会变量之间关系理论或模式进行验证。如Scherer（1982）在研究美国不同行业之间的技术流动时采用专利统计的方法对不同行业创新活动的体量差异进行了分析。在美国和英国，不同的行业和产业之间的专利活动和创新活动差异较大，专利和研发活动份额一般在化工和电子电气领域都较高，而专利活动份额在汽车航空领域一般要低于研发活动的份额[7]。

第三，对比不同技术领域的创新活动。不同技术主体各公司的发展状况，创新活动的行业模式和特征能够通过专利数据对行业内技术分析得到。如Walsh（1984）在研究和分析行业的发明和创新模式时运用了专利统计与科学论文和经济活动统计相结合的方法。从属和诱发创新活动的差别在一定程度上能够通过不同类型的专利统计数量得到，但是导致快速增长的主要或重大创新的概貌并不能因此得到[8]。

第四，对比不同公司的创新活动。通过对某一公司的专利申请和授权进行分析能够评估其技术能力和创新活动，对于进行横向和纵向比较分析公司的创新活动发展具有重要意义。《技术评》杂志由麻省理工学院与CHI研究所于1899年合作出版，它通过对美国专利数据进行分析，每年都对8大行业公司进行排序，推出专利记分卡，反映不同公司的技术强度以及变化情况。Liu等人（2006）为了明确世界500强公司在中国专利申请结构、产业分布、垄断趋势、技术创新和国外的投资方向，他们对这些公司在中国的专利申请情况进行了研究和分析[9]。

22专利分析方法的分析内容

专利分析方法复杂多样，其应用的核心算法可分为专利样本结构化、数据聚类、文档聚类等3大类，专利样本结构化是对针对专利间的演进关系，使专利行成“树”、“图”结构，可以对技术发展趋势进行预测，并发掘市场上有潜力的发展空间。数据聚类是对专利的特定指标进行量化分析，可以直观、量化、科学的描述技术发展现状，并从中发现、跟踪研究热点，进而引申其实际应用意义。文档聚类是对专利的特质及质量进行关联性分析，发掘专利的潜在联系，按技术特征来归并有关专利并使其有序化，对同领域的技术进行比较分析，从中发现重点研究对象、关键技术等，并以此为依据对技术发展战略提供支持。

关于技术和发明者信息在专利文献中的表述主要有以下4种，即：

1）描述与专利相关的技术和技术创新活动的信息，包括IPC，申请的专利时间和专利类型等信息。

2）反应技术对应相关创新主体的信息，如发明人或者专利所有权人的信息。

3）分析专利技术的价值以及与技术相关联的信息，如引证信息。

4）反应专利申请国家或者地区相应专利制度的信息，如优先权、权利要求以及公开日期等信息[10]。

在对专利分析内容进行分解时采用了专利分析方法应用的要素分类的方法，结果如图2所示：

在制定技术路线图时，需要对技术创新活动的以下内容进行分析：

1）对行业发展的动态以及趋势进行分析。统计某一区间专利申请数和授权数随时间的变化规律，能够反映该区间行业的创新活跃程度，进而对产生该现象的深层经济和政策原因进行剖析。对比专利申请和授权日期的差异，能够评价专利申请技术的水平[11]。

2）对专利类型以及技术水平进行分析。发明专利往往代表自主知识产权，相对于外观专利、实用新型专利来说其技术含金量相对较高，实用新型专利的技术含金量相对次之，外观设计技术含金量相对较低。通过对专利类型进行分类，能够分析研究活动的质量，进一步评价技术创新能力的高低。

3）对区域创新能力分布水平进行分析。针对在某一国家和地区申请专利的统计，能够分析出某一技术领域的合作伙伴和竞争对手来源，同时针对专利类型进行分类统计，分析专利类别以及IPC分布，进而分析不同国家或者地区在某一时间内的技术发展方向。

4）对行业技术的创新主体进行分析。统计某一行业的申请人和发明人，分析和评价不同类型人员和研究机构在技术创新中发挥的作用，对于寻找合作伙伴或竞争对手具有重要意义；跨国公司可以结合专利分类以及发明来源分析，采取相对应的技术创新以及市场开发战略；运用研究机构的发明人信息查找专利受让机构，能够对发明机构之间的内在关系进行分析。

3基于技术创新视角的专利分析方法对技术路线图的支撑模式31专利分析内容与技术路线图制定过程中的技术创新活动的关系专利分析方法对分析内容进行选择，搭配不同专利分析算法，从而得出相应的分析结果，专利分析方法对分析内容的分析结果为技术创新活动提供了支撑依据。对相同的分析内容用不同的算法分析，会产生不同的分析结果，为技术路线图制定过程中不同技术创新活动提供支撑依据。树、图化分析结果为目标设定技术创新活动提供支撑依据，数量统计分析结果为差距识别技术创新活动提供支撑依据，文本聚类分析结果为路径决策技术创新活动提供支撑依据[12]。

通过对上述专利相关信息进行分析，描述技术路线图制定过程中的技术创新活动。这4类信息中前3类属于专利技术信息，第4类属于专利权利信息。对专利分析的内容与技术创新活动中的技术创新特点的对应关系进行归纳如表1所示：

321引文分析

专利引文分析方法和核心专利引证关系族谱分析方法以样本结构化算法为要素，在实际应用中主要的分析内容即为专利文献的引文信息。对应的技术创新活动包括，技术发展趋势、技术溢出、识别核心技术、技术创新扩散、技术转移、技术与技术的关联、技术与学科的关联。技术发展趋势是市场需求分析过程中的技术创新活动，识别核心技术、技术创新扩散、技术与技术的关联、技术与学科的关联是关键技术分析过程中的技术创新活动。因此专利引文分析方法和核心专利引证关系族谱分析方法为技术路线图制定过程中市场需求分析、关键技术分析分别起到了支撑作用。

322PLC分类分析

类交叉延伸分析方法和权利范围要求构建及关系分析方法以样本结构化算法为要素，在实际应用中主要的分析内容即为专利文献的PLC分类信息。对应的技术活动包括技术研究热点、技术领域空白、技术发展趋势、技术与技术的关联、技术与学科的关联。技术研究热点、技术领域空白是发展目标分析过程中的技术创新活动，技术与技术的关联、技术与学科的关联是关键技术分析过程中的技术创新活动。因此类交叉延伸分析方法和权利范围要求构建及关系分析方法为技术路线图制定过程中发展目标分析、关键技术分析分别起到了支撑作用。

323技术领域数量的年份累计分析

技术发展阶段分析方法和技术生命周期分析方法以数据量化算法为要素，在实际应用中主要的分析内容即为专利文献的技术领域数量的年份累计信息。对应的技术活动包括技术成熟度、技术成长能力、创新投入。技术成熟度、技术成长能力、是产业现状分析过程中的技术创新活动，创新投入是研发需求分析过程中的技术创新活动。因此技术发展阶段分析方法和技术生命周期分析方法为技术路线图制定过程中产业现状分析、研发需求分析分别起到了支撑作用。

324申请人及所在区域分析

技术聚集领域分析方法以数据量化算法为要素，在实际应用中主要的分析内容即为专利文献的申请人及所在区域信息。对应的技术活动包括技术研发主体及研发能力、技术研发区域及研发能力，是市场需求分析过程中的技术创新活动。因此技g聚集领域分析方法为技术路线图制定过程市场需求信息分析起到了支撑作用。

325关键词及其频率分析

专利地图分析方法以文本聚类算法为要素，在实际应用中主要的分析内容即为专利文献的关键词及其频率信息。对应的技术活动包括识别核心技术、技术演进、技术创新扩散，是关键技术分析过程中的技术创新活动。因此专利地图分析方法为技术路线图制定过程中关键技术分析起到了支撑作用。

326技术发展功效分析

技术功效矩阵分析方法和投资专利组合分析方法以文本聚类算法为要素，在实际应用中主要的分析内容即为专利文献的技术发展功效信息。对应的技术活动包括技术与技术间比较、创新投入，是研发分析过程中的全部技术创新活动。因此技术功效矩阵分析方法和投资专利组合分析方法为技术路线图制定过程中研发需求分析起到了支撑作用。

4实证分析――专利分析方法在电动汽车用锂离子电池的技术路线图制定中的应用当今环保和能源的问题备受关注，为解决这些问题，电动汽车呈现出加速发展的趋势。我国政府高度重视新能源汽车产业发展，出台一系列鼓励措施和补贴政策及产业政策，极大地推动了新能源汽车产业发展。锂离子动力电池是新能源汽车的主要能源，其技术发展水平对于电动汽车的市场化程度影响重大。通过对电动汽车用锂离子电池的专利分析，可为电动汽车用锂离子电池产业的技术路线图制定提供指导。

41技术发展阶段测量方法在电动汽车用锂离子电池产业现状分析中的应用在中国人民共和国国家知识产权局专利检索数据库中，对电动汽车和锂离子电池进行交叉检索，共获得413条有效数据，对电动汽车用锂离子电池2001-2016年已公布的发明专利、实用新型、外观设计的专利进行数量统计，如图4所示：图42001-2016年电动汽车用锂离子电池专利数量图

技术发展阶段测量方法通过计算技术生长率（V）、技术成熟系数（α），技术衰老系数（β）和新技术特征系数（N），根据V、α、β、N的值随时间变化情况测算某技术领域的技术发展阶段，从而为电动汽车用锂离子电池现状分析提供技术事实依据，具体测量方法见表2：

42技术领域聚集在电动汽车用锂离子电池产业需求分析中的应用市场需求的影响因素众多，难以准确评价其分析结果，通过对创新主体的专利技术聚集领域分析，能够获得相关创新主体在研发领域投入和前沿热点探索能力，可作为产业技术路线图制定中产业需求分析的补充数据。根据布拉德福定律，分析不同区域刊载专利情况能够衡量研究主题领域内的核心技术分布、核心研发群体分布，从而确定高产出群体，掌握创新源头情况和创新动态。

电动汽车用锂离子电池2001-2016年共公告专利413件，通过数据整理和统计，该技术在我国各省份的聚集情况如图6所示：

由图6可知，广东作为锂离子电池的主要产地专利数量远远领先于其他省份；北京、上海由于拥有高校资源，因此凭借科技创新人才和高水平的研发能力，也有较多的专利数量；安徽的奇瑞汽车股份有限公司、天津的中国电子科技集团公司第十八研究所以自身的研发力量带动了区域技术发展，代表了产业技术发展先进水平。值得注意的是以汽车产业为支柱产业的吉林省在该技术上无任何专利，存在着巨大的市场空白。此外，拥有超大型汽车制造厂的湖北省、四川省也几乎处于技术空白的阶段。

对我国电动汽车用锂离子电池申请人数据进行分析，累计专利数在5项以上的专利申请人共13个，如表3所示，约494%的发明人（华南理工大学、奇瑞汽车股份有限公司、北京科技大学等13个发明人）完成了236%的专利申请，是该领域专利创新的核心人群，华南理工大学和奇瑞汽车股份有限公司的专利数居首位，其技术处于领先水平，奇瑞汽车锂离子电池在电动汽车的应用上处于国内领先地位。因此来自这两类创新主体的专利信息可以为电动汽车用锂离子电池产业市场分析提供极具说服力的事实依据。

43专利类交叉延伸分析在电动汽车用锂离子电池产业目标分析中的应用产业目标分析是在市场需求分析的结果上，综合技术预见分析结果并加以凝练而成。在技术预见的过程中，首先就要锁定目标技术区域，也就是具有发展潜力的技术热点，或是空白的技术领域。本文应用专利类交叉延伸分析方法，表现专利核心技术主题与交叉学科、技术间的关系。以此寻找技术发展热点和目标技术领域。对2001-2016我国电动汽车用锂离子专利IPC分类号进行统计、归纳，结果如表4所示：表4我国电动汽车用锂离子电池涉及关键技术主题表

IPC分类技术主题H01用于直接转变化学能为电脑的方法或装置，如电池组H02供电或配电的电路装置或系统；电能存储系统B60电动车辆的电力装备或动力装置；一般车用电力制动系统G01测量电变量；测量磁变量C01金属的生产或精炼，原材料处理，锂的化合物B82非金属元素，其化合物G05一般的控制或调解系统，这种系统的功能单元，用于这种系统或单元的监视或测试装置注：表中所列技术主题为IPC分类占专利申总数1%以上数据。构建电动汽车用锂离子电池专利交叉延伸模型，横线上的数字代表横线两端技术主题的交叉次数，如图7所示。

由图7可知，H01、H02、B60和G01为电动汽车用锂离子电池的专利核心技术主题，其中H01是目前的研究重心所在，其与C01、B82的交叉联系最为紧密，也就是如何利用新型材料的生产或精炼提高电动汽车用锂离子电池的各项性能，增强其实用性。B60（电动车辆的电力装备或动力装置；一般车用电力制动系统）是这一技术的新兴研究热点，其与H02、G05产生了交叉，也就是锂离子电池与电动车整车系统的配合，以及提高其应用性、稳定性的研究。

综上所述，我国电动汽车用锂离子电池技术研究热点仍处于提高电池性能的研究过程中，仍在通过与不同的技术交叉联系改善锂离子电池自身安全性、稳定性等。而该项技术的发展趋势是在电动汽车锂离子电池的远程控制、检测与管理等研究提高以锂离子电池为动力的电动汽车可实践性的研究。

5结束语

随着技术创新能力在国家竞争力中的作用日益突出，作为反映创新产出和创新过程的核心数据，专利具有信息全面、数据充分以及容易获得等优势，同时由于在企业、产业以及国家在制定发展规划过程中，技术路线图作为一种预测技术发展路径的工具能够降低创新的不确定性，为企业提供有效的技术策略和反竞争情报手段。因此基于技术创新视角的专利分析方法在技术路线图制定中的应用，能够为发现技术领导者、制定专利发展战略乃至国家创新战略具有重要指导作用和参考价值，为我国打造“中国制造2025”实现制造业由大变强的发展过程中提供支撑作用。

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集成电路研究分析范文第5篇

Abstract： Through research on heavy metal monitoring technology， the paper puts forward electrochemical potential control method， the hardware design platform and software design， and monitoring system based on anodic stripping voltammetry， including single-chip design， software design， and the working electrode design， for online monitoring of heavy metals.

关键词： 电化学；在线监测；工作电极

Key words： electrochemistry；online monitoring；work electrode

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）14-0035-02

1 背景

重金属主要是指汞（水银）、镉、铅、六价铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素，其中，六价铬、汞、砷、铅和镉已经被国家列入重点监测指标，由于重金属不能被生物降解，相反却能在食物链的生物放大作用下，成千百倍地富集，最后进入人体，同时，重金属元素由于某些原因未经处理就被排入河流、湖泊或海洋，或者进入了土壤中，使得这些河流、湖泊、海洋和土壤受到污染，它们不能被生物降解，因此，在线监测重金属污染情况是非常有必要的。

2 设计需求

本研究根据以上国内外厂家性能和环保等角度分析，采用有毒试剂循环回收利用的方法研制新型重金属监测仪器，同时根据国家相关标准，确定重金属监测仪市场需求，请看下表：

3 设计方案

3.1 产品工作原理 溶出伏安法（又称反向极谱法）是从电化学分析中的极谱法发展起来的，分为阳极溶出伏安法与阴极溶出伏安法，但阳极溶出伏安法更为重要。在电解池内放入一个悬汞电极或其他固体电极代替极谱法的滴汞电极作为研究电极，以饱和甘汞电极兼作辅助电极和参比电极。先将研究电极置于待测离子的极限盛有支持电解质和含有浓度很低的金属离子。在不断搅拌溶液下进行电解，此时扩散电流的电位上，一般负于半波电位0.2-0.3V，金属离子在电极上还原成金属并生成汞齐，这一步称为电积，经过一定时间电积富集之后，汞电极中的金属提高到必要浓度，停止搅拌，约20-30秒后把研究电极的电位向正方扫描，这时汞齐中的金属在半波电位附近又重新溶解成为离子进入溶液，这一步称为溶出，在溶出过程中记录的电流—电位曲线上出现溶出峰型，峰高或峰面积与待测离子的浓度成正比，这是定量分析的基础。峰电位与离子的性质有关，这是定性分析的基础。锌、镉、铅、铜等可以在适当的支持电解质溶液中，以汞膜电极作工作电极，以银-氯化银电极作参比电极，加以适当的预电解电位，经过一定时间的预电解富集，还原到汞膜电极上，于汞生成汞齐，然后在较短的时间内作反向溶出扫描，记录其溶出伏安曲线。根据溶出峰电位和峰高，用标准加入法定量地测定每个杂质的含量。

3.2 硬件设计要求 控制原理：仪器配有三电极系统，分别是研究电极（玻碳电极）、辅助电极（铂电极）和参比电极（银-氯化银电极），分析过程分为三个主要步骤，分别是富集、静置和溶出。电路设计结构图如下图所示：

MCU处理器：具有Flash存储器；

D/A恒电位控制：电位控制精度1mV，电位控制范围

±12V，电位能从-12V到12V扫描，扫描速度控制范围1-1000mV/S；

电流采集单元：由于需要检测的电流属于微弱信号，并且不同浓度下的电流大小不一样，所以电流采集时需要选择不同的灵敏度，灵敏度的控制可以通过精密电阻来切换，切换原理图如图2，电流通过电阻后产生电压，根据U=I*R，通过检测电压大小采集电流大小，一般情况下，0-10uA范围电流采用100K电阻，10-100uA范围电流采用10K电阻，0.1-1mA范围电流采用1K电阻，1-10mA范围电流采用100Ω电阻，电阻精度要求0.1%；

A/D转换：根据电流采集精度选用，建议采用16位；

阀体控制：至少能控制30路电磁阀，20路带24V电源，10路不带电源；

试剂报警：6路液位AD输入；

3.3 软件设计

软件功能：

通讯模式：具有232串口数据输出端口，可以通过数采仪上传数据，同时具有四路4-20mA输出端口，能同时输出4路数据；

参数设置：设定测量参数（以Zn、Cd、Pb、Cu联测为例）：富集电位（-1.3V）、静置电位（-1.2V）、终止电位（0V）、富集时间（120s）、灵敏度选择（10uA）、是否消解，如果需要设定好消解时间；寻峰范围设置：Zn（-1200—-800mV）、Cd（-800—-600mV）、Pb（-600—-300mV）、Cu（-300—0mV）；

3.4 工作电极设计 工作电极与电极线连接采用M3的铜螺纹连接，保证接触良好，玻碳采用日本进口材料，直径为5mm，与检测池的密封采用O型圈密封方式，需要注意O型圈、塑料直径、检测池工作电极孔直径之间的配合间隙，结构示意图如图4。

4 结论

通过软件设计、电路设计和电极设计，成功研制了重金属在线监测仪器，能应用于水质中重金属的在线实时监测，具有准确、快速、安全和可靠等特点，具备了良好的市场推广前景。

参考文献：

[1]高鹏.智能电化学工作站DSP软件的总体设计与研究[J].科学与研究，2007.