CN106599424A - 基于微电子工艺的智能化结构变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微电子工艺的智能化结构变换系统，包括控制单元、电源单元，以及八个或八个以上的受控单元；控制单元用于发出控制信号和时钟信号；每个受控单元包括壳体、电磁力发生器和信号响应模块，采用微电子工艺将壳体、信号响应模块和电磁力发生器集成在一起，可构成一种利用控制信号控制电磁力有无的受控单元，然后将大量的受控单元集成在一起，可通过控制设备发出控制信号控制受控单元的电磁力，使得受控单元能够相互移动和变换形成任意结构的模型。

Description

基于微电子工艺的智能化结构变换系统

技术领域

本发明属于结构变换系统，具体涉及一种基于微电子工艺的智能化结构变换系统。

背景技术

集成电路自1958年开始，历经五十多年已经发展成为当今的一个朝阳产业，它的发展速度足以告诉我们它的前景，但身为一门高科技产业，它所面临的困难也是巨大的。而其中最大的困难在于物理极限，随着集成电路特征尺寸的不断降低，其量子效应也将越明显，直至器件功能失效，集成电路或将走到尽头。所以寻找新的替代器件和电路结构，发展新技术、新应用已势在必行。基于当前集成电路技术都是电路集成实现功能，却无结构集成来实现功能，但事实上结构集成同样具有广泛的应用，对于大多数情况下不同的结构就对应实现不同的功能，结构的改变意味着功能的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于微电子工艺的智能化结构变换系统，以实现系统中受控单元之间的运动控制和相互替换。

本发明所述的基于微电子工艺的智能化结构变换系统，包括控制单元、电源单元以及八个或八个以上的受控单元；

所述控制单元用于发出控制信号和时钟信号，所述控制信号包括单元识别码和电磁线圈选定码；

所述电源单元与各受控单元连接，为各受控单元供电；

每个受控单元具有独立的单元识别码，且每个受控单元至少与另一个受控单元相接触；

所述受控单元包括呈正方体的壳体，以及设置在壳体内的电磁力发生器和信号响应模块，所述壳体、信号响应模块和电磁力发生器采用微电子工艺集成在一起；

所述电磁力发生器包括六个或六个以上的电磁线圈，且每个电磁线圈具有独立的编码，各电磁线圈分别设置在壳体的内侧壁上，且壳体的每个内侧壁上均至少有一个电磁线圈；

所述信号响应模块判断控制信号中的单元识别码与自身的单元识别码是否相同，若相同，则根据控制信号中的磁线圈选定码在本受控单元内找到对应的电磁线圈，并改变该电磁线圈的状态，若不相同，则保持电磁线圈的状态，通过改变各受控单元中的电磁线圈中的电流有无，以实现受控单元间的运动控制。

电磁线圈有电流时产生磁力，电磁线圈没有电流时不产生磁力。所有受控单元间的磁力相互作用，系统会构建一个不稳定的势场，导致受控单元相互运动，使得整个系统的磁场势能稳定在最低状态，根据以上原理，通过改变所有受控单元中的电磁线圈中的电流有无，可实现受控单元间的运动，使整个系统构成需要的模型。

所述信号响应模块包括移位寄存器、数据分配器、T触发器、线圈电流控制器和单元识别模块；

所述线圈电流控制器的数量与受控单元中的电磁线圈的数量相同，且一一对应连接；

所述T触发器的数量与线圈电流控制器的数量相同，且一一对应连接；

所述数据分配器的位数大于等于T触发器的个数；

所述移位寄存器根据时钟信号对串行输入的控制信号转换成并行数据，并将控制信号中的单元识别码发送给单元识别模块，将电磁线圈选定码发送给数据分配器；

所述单元识别模块判断所接收到的单元识别码与自身的单元识别码是否相同，若相同，则数据分配器根据电磁线圈选定码在电磁力发生器中选出对应的电磁线圈，并输出高电平给该电磁线圈所对应的T触发器，该T触发器接收到高电平，输出翻转给对应的线圈电流控制器，通过线圈电流控制器改变该电磁线圈的状态，若不同，则所述数据分配器输出低电平给该电磁线圈所对应的T触发器，该电磁线圈的状态保持不变。

所述T触发器由D触发器和异或门连接构成；

所述数据分配器由NMOS和PMOS组合连接而成的8位数据分配器；

所述移位寄存器由D触发器串联而成，移位寄存器的位数由受控单元的个数决定，N位的移位寄存器能控制的受控单元的数量为2^(N-3)个；

所述线圈电流控制器采用NMOS实现；

所述单元识别码模块由NMOS和PMOS组合连接而成。

所述控制信号的位数应等于或大于移位寄存器的位数，并将控制信号的前n-3位作为单元识别码，将控制信号的后3位逆顺序作为电磁线圈选定码。

所述时钟信号的频率是控制信号的频率的两倍。

本发明的有益效果：

(1)结构模拟：通过对目标物体进行软件建模，然后将物体的模型数据转换为控制信号，利用控制信号去控制对应的受控单元的三维运动，通过受控单元间的相互组合、相互替换以搭建出目标物体的模型。

(2)功能模拟：能够集成一些热、光、磁、机械等功能。如几种常见的功能模拟：①机械运动模拟：通过在系统单元中加入高强度材料，使其可以承受机械运动的力效应和热效应，实现对机械运动的模拟。②颜色模拟：利用光敏材料制造出具有发光控制的受控单元，通过控制单元的颜色实现对物体颜色的模拟。使得系统不仅可以模拟实物的结构，还能模拟其功能，实现一些物理功能集成的作用。

(3)功能复用：利用该集成系统的模拟功能，在需要时转换为不同的物理结构，实现不同的功能，使得该系统能够在多种结构和功能间相互转换实现功能复用。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明中受控单元的原理框图；

图3为本发明中受控单元的运动原理图之一；

图4为本发明中受控单元的运动原理图之二；

图5为本发明中受控单元的运动原理图之三；

图6为本发明中受控单元的结构原理图之一；

图7为本发明中受控单元的结构原理图之二；

图8为本发明中多个受控单元的运动原理图之一；

图9为本发明中多个受控单元的运动原理图之二；

图10为本发明中信号响应模块的原理图；

图11为本发明中信号响应模块功能仿真图；

图12为本发明中数据分配器的晶体管级原理图；

图13为本发明中T触发器的晶体管级原理图；

图14为本发明中D触发器的晶体管级原理图；

图中：1、控制单元，2、受控单元，21、信号响应模块，21a、移位寄存器，21b、数据分配器，21c、T触发器，21d、线圈电流控制器，21e、单元识别模块，22、电磁力发生器，3、电源单元，4、电源通路和信号通路的正接触点，5、电源通路和信号通路的负接触点，6、受控单元间的通路接触点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图10所示的基于微电子工艺的智能化结构变换系统，包括控制单元1、电源单元3以及八个或八个以上的受控单元2；受控单元2的数量根据实际情况调整。所述控制单元1用于发出控制信号和时钟信号，该控制信号包括单元识别码和电磁线圈选定码。所述电源单元3与各受控单元2连接，为各受控单元2供电。每个受控单元2具有独立的单元识别码，且每个受控单元2至少与另一个受控单元2相接触。所述受控单元2包括呈正方体的壳体，以及设置在壳体内的电磁力发生器22和信号响应模块21；所述壳体、信号响应模块21和电磁力发生器22采用微电子工艺集成在一起。所述电磁力发生器22包括六个或六个以上的电磁线圈，具体数量根据实际情况选定，且每个电磁线圈具有独立的编码，各电磁线圈分别设置在壳体的内侧壁上，且壳体的每个内侧壁上均至少有一个电磁线圈。所述信号响应模块21判断控制信号中的单元识别码与自身的单元识别码是否相同，若相同，则根据控制信号中的磁线圈选定码在本受控单元2内找到对应的电磁线圈，并改变该电磁线圈的状态，若不相同，则保持电磁线圈的状态，通过改变各受控单元中的电磁线圈中的电流有无，以实现受控单元2间的运动控制。例如，利用微电子工艺的智能化结构变换系统制造出“运输车”，在特定场所，通过控制将其任意变换为“挖掘机”、“装甲车”等机械、车辆或其他任意结构，可实现对应功能。

微电子工艺是指在利用光刻、薄膜淀积、氧化、刻蚀、掺杂等工艺在半导体衬底上制造出集成电路或微机械的工艺。其中集成电路工艺主要是利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术，在一小块硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等电路元件，并采用隔离技术使各元件在电性能上互相隔离，最后利用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件按需要互连成完整电路，制成半导体集成电路。随着集成电路从小、中规模发展到大规模、超大规模集成电路，微电子工艺也随之得到发展。

微机械工艺根据其制造的机械结构，可分为体微机械加工和表面微机械加工。其中体微机械加工工艺即选择性的去除衬底材料以形成独立的机械结构(如悬梁臂和膜)或者一些独特的三维结构(如空腔，穿透整个衬底的孔和台面)。根据刻蚀技术的不同，可分为湿法刻蚀和干法刻蚀，湿法刻蚀技术通常采用液态的化学刻蚀液去除材料，而干法刻蚀主要采用等离子体(含有电离粒子的高能气体)或者气相刻蚀剂去除材料。如果各个方向的刻蚀速率相同，则称为各向同性刻蚀；如果刻蚀速率与晶向有关，则称为各向异性刻蚀。

表面微机械加工工艺能够制造附着于衬底表面附近的微结构，与体微机械加工工艺不同的是不需要移除或刻蚀衬底材料。该工艺在衬底上用连续生长功能层、结构层、牺牲层工艺来制作微机械结构，借助多次光刻－套刻实现图形复制和层间对准，依靠牺牲层技术控制结构的分离与衔接，衬底本身并不被刻蚀，是一种平面加工或准三维加工工艺,适用于制作厚度几至几十微米和深宽比为几至十几的微机械结构。该技术有别于传统半导体工艺的本质在于可以制作可活动构件，如悬臂梁、转子、齿轮、振子等，这些都是MEMS(微机电系统)器件的基本结构单元。

如图2和图10所示，所述信号响应模块21包括移位寄存器21a、数据分配器21b、T触发器21c、线圈电流控制器21d和单元识别模块21e。所述线圈电流控制器21d的数量与受控单元2中的电磁线圈的数量相同，且一一对应连接，即每个电磁线圈由一个独立的线圈电流控制器21d来控制。所述T触发器21c的数量与线圈电流控制器21d的数量相同，且一一对应连接，即每一个线圈电流控制器21d由一个独立的T触发器21c来触发控制。所述数据分配器21b的位数大于等于T触发器21c的个数，才能实现对所有电磁线圈的完全控制。所述移位寄存器21a根据时钟信号对串行输入的控制信号转换成并行数据，并将控制信号中的单元识别码发送给单元识别模块21e，将电磁线圈选定码发送给数据分配器21b。所述单元识别模块21e判断所接收到的单元识别码与自身的单元识别码是否相同，若相同，则数据分配器21b根据电磁线圈选定码在电磁力发生器22中选出对应的电磁线圈，并输出高电平给该电磁线圈所对应的T触发器21c，该T触发器21c接收到高电平，输出翻转给对应的线圈电流控制器21d，通过线圈电流控制器21d改变该电磁线圈的状态，若不同，则所述数据分配器21b输出低电平给该电磁线圈所对应的T触发器21c，该电磁线圈的状态保持不变，以实现受控单元2之间的运动控制。

如图3至图5所示，以四个只含一个线圈的受控单元为例，对实现受控单元之间的一维运动控制进行如下说明：

基于Ansoft Maxwell软件的电磁力仿真图，通过控制电磁线圈L1、电磁线圈L2、电磁线圈L3、电磁线圈L4中的电流，可实现电磁线圈的运动，其中电磁线圈L1和电磁线圈L2通过绝缘体连接在一起，电磁线圈L3和电磁线圈L4通过绝缘体连接在一起。如仅电磁线圈L2和电磁线圈L3中有电流，电磁线圈L1和电磁线圈L4无电流，则由于电磁线圈间的电磁力，在固定电磁线圈L1和电磁线圈L2的前提下，电磁线圈L3和电磁线圈L4将沿y轴正方向运动，参见图4。若电磁线圈L1和电磁线圈L4中有电流，电磁线圈L2和电磁线圈L3无电流，则由于电磁线圈间的电磁力，电磁线圈L3和电磁线圈L4将沿y轴负方向运动，参见图5。

如图6和图7所示，本实施例中，每个受控单元2都包含了6个电磁线圈和信号响应模块21，并在受控单元2上设置有电源通路和信号通路的正接触点4(图中三条高电位通路的交汇点)、电源通路和信号通路的负接触点5(三条低电位通路的交汇点)和受控单元间的通路接触点6(相接触受控单元间的电流和信号传输节点)。当电磁线圈有电流时产生磁力，没有电流的电磁线圈不产生磁力。由于所有受控单元2间的磁力相互作用，系统会构建一个不稳定的势场，导致受控单元2相互运动，使得整个系统的磁场势能稳定在最低状态，根据以上原理，通过改变所有受控单元2中的电磁线圈中的电流有无，可实现受控单元2间的运动，得到需要的模型。

根据线圈运动原理可设计出实现三维运动的受控单元2，将32个受控单元2集成在一起，参见图8，经过控制受控单元2的运动可改变系统的物理结构，参见图9。为了实现系统的功能，受控单元2的设计需要遵循以下原理：

1)每个受控单元2都有独立的单元识别码，以区别于其它受控单元2，每个受控单元2的每个电磁线圈也有自己的编码，以便通过控制信号来控制任意受控单元中任一电磁线圈的状态，以实现对受控单元2间的运动控制。

2)系统工作时每个受控单元2都必须至少和另一个受控单元2相互接触，以保证系统的连续性、控制性、整体性，以及能量和信号的传递。

3)每个受控单元2的结构、大小应该完全相同，这样才能使得受控单元2之间能够完全的相互转换。

在设计受控单元2时应尽可能用到更少的晶体管达到相同的功能，以保证受控单元2的尺寸最小。

如图10所示，为5级系统的信号响应模块21的原理图，是整个系统最为重要的一部分，该电路包含六个T触发器21c、8位移位寄存器、8位数据分配器、六个线圈电流控制器21d和单元识别模块21e。所述数据分配器21b由NMOS和PMOS组合连接而成的8位数据分配器。所述T触发器21c由D触发器和异或门连接构成。所述D触发器的晶体管级原理图。所述移位寄存器21a由D触发器串联而成，移位寄存器21a的位数由受控单元2的个数决定，N位的移位寄存器21a能控制的受控单元2的数量为2^N-3)个。所述线圈电流控制器21d采用NMOS实现。所述单元识别码模块由NMOS和PMOS组合连接而成。所述控制信号的位数应等于或大于移位寄存器21a的位数，并将控制信号的前n-3位作为单元识别码，将控制信号的后3位逆顺序作为电磁线圈选定码。所述时钟信号的频率是控制信号的频率的两倍。其中：串行输入的控制信号CLK1通过由D触发器组成的8位移位寄存器转换为并行输出，前5位作为单元识别码，可控制2^5＝32个受控单元，后3位的逆序为电磁线圈选定码，若后3位为X＝110，则表示选定第4个线圈，再通过数据分配器21b选定所需电磁线圈，最多可实现选定不同的8个电磁线圈，本实施例中的受控单元只需用到6个电磁线圈。由于每个受控单元2都有自己的单元识别码，当系统的控制信号的单元识别码与受控单元的单元识别码相同时，接通数据分配器21b将高电平送给对应的电磁线圈的T触发器21c。T触发器21c在接收到高电平时，输出翻转，以达到改变该电磁线圈状态的目的。反之，控制信号与该受控单元的单元识别码不同时，所有电磁线圈的T触发器21c输入为低电平，即电磁线圈保持原状态。

如图11所示，此图是图10的功能仿真图，令电磁线圈的初始状态为0电磁线圈中初始没有电流)，将时钟信号的频率调为控制信号的2倍，其中CLk1为控制信号、CLK2为移位脉冲、CLK3为抗干扰脉冲、X1-6为线圈电流控制器输出、S为数据分配器控制端、C为移位寄存器输出、M1、M3、M4为对应T触发器的输入。当控制信号CLK1输入一段信号10101010后，通过移位脉冲CLk2转换为并行信号，在完全转换后，利用抗干扰脉冲CLk3启动所有T触发器21c一次，实现线圈电流控制器21d输出状态的转换，如图11中X所示，X3＝010由0→1表示第3个线圈电流从无到有。再输入控制信号10101110后，如图11中X4＝011由0→1表示第4个线圈电流从无到有；若再次输入控制信号10101010，则如图11所示X3＝010由1→0表示第3个线圈电流从有至无。以此原理可实现控制信号控制任意受控单元中任意电磁线圈的电流的有无，以实现这32个受控单元的三维运动的控制，同理，若增加移位寄存器21a和单元识别模块21e的位数可实现对更多受控单元2的控制。

如图12至图14所示，为该5级系统的信号响应模块21中最重要模块的晶体管级电路，包括8位数据分配器(使用了12个NMOS，12个PMOS)、T触发器21c(使用了8个NMOS和12个PMOS)、构成移位寄存器21a的D触发器(使用了5个NMOS和5个PMOS)，其它的模块都是用NMOS和PMOS直接构成。

本发明中，若PMOS和NMOS采用W＝0.55um，L＝0.25um的沟道设计，金属线宽最小为0.35um，在满足版图设计规则DRC Design Rule Check)和电气规则ERC Electrical RuleCheck)的前提下得到的5级系统单元响应电路的版图，其有效面积大约为S＝2450um^2其中w＝60.55um，H＝40.45um，使用的MOS管数为235个。若为N级系统，则所需MOS管数目：

Mn＝n-3)*10D锁存器MOS管数)+24数据分配器)+6*20T触发器CMOS管数)+n单元识别码)+66个线圈电流控制器)＝11*n+180个MOS管)

由于该系统的物理尺寸主要取决于控制信号响应模块21的物理尺寸，所以根据版图可以计算出，对于该基于0.25umCMOS工艺的N级结构智能化系统，其单元的物理尺寸系统控制精度)：其最多控制的单元数P＝2^N。在受控单元2的结构不变的前提下，系统的控制精度取决于所采用的微电子工艺。

Claims (5)

1.一种基于微电子工艺的智能化结构变换系统，其特征在于：包括控制单元（1）、电源单元（3）以及八个或八个以上的受控单元（2）；

所述控制单元（1）用于发出控制信号和时钟信号，所述控制信号包括单元识别码和电磁线圈选定码；

所述电源单元（3）与各受控单元（2）连接，为各受控单元（2）供电；

每个受控单元（2）具有独立的单元识别码，且每个受控单元（2）至少与另一个受控单元（2）相接触；

所述受控单元（2）包括呈正方体的壳体，以及设置在壳体内的电磁力发生器（22）和信号响应模块（21），所述壳体、信号响应模块（21）和电磁力发生器（22）采用微电子工艺集成在一起；

所述电磁力发生器（22）包括六个或六个以上的电磁线圈，且每个电磁线圈具有独立的编码，各电磁线圈分别设置在壳体的内侧壁上，且壳体的每个内侧壁上均至少有一个电磁线圈；

所述信号响应模块（21）判断控制信号中的单元识别码与自身的单元识别码是否相同，若相同，则根据控制信号中的磁线圈选定码在本受控单元（2）内找到对应的电磁线圈，并改变该电磁线圈的状态，若不相同，则保持电磁线圈的状态，通过改变各受控单元中的电磁线圈中的电流有无，以实现受控单元（2）间的运动控制。

2.根据权利要求1所述的基于微电子工艺的智能化结构变换系统，其特征在于：所述信号响应模块（21）包括移位寄存器（21a）、数据分配器（21b）、T触发器（21c）、线圈电流控制器（21d）和单元识别模块（21e）；

所述线圈电流控制器（21d）的数量与受控单元（2）中的电磁线圈的数量相同，且一一对应连接；

所述T触发器（21c）的数量与线圈电流控制器（21d）的数量相同，且一一对应连接；

所述数据分配器（21b）的位数大于等于T触发器（21c）的个数；

所述移位寄存器（21a）根据时钟信号对串行输入的控制信号转换成并行数据，并将控制信号中的单元识别码发送给单元识别模块（21e），将电磁线圈选定码发送给数据分配器（21b）；

所述单元识别模块（21e）判断所接收到的单元识别码与自身的单元识别码是否相同，若相同，则数据分配器（21b）根据电磁线圈选定码在电磁力发生器（22）中选出对应的电磁线圈，并输出高电平给该电磁线圈所对应的T触发器（21c），该T触发器（21c）接收到高电平，输出翻转给对应的线圈电流控制器（21d），通过线圈电流控制器（21d）改变该电磁线圈的状态，若不同，则所述数据分配器（21b）输出低电平给该电磁线圈所对应的T触发器（21c），该电磁线圈的状态保持不变。

3.根据权利要求2所述的基于微电子工艺的智能化结构变换系统，其特征在于：所述T触发器（21c）由D触发器和异或门连接构成；

所述数据分配器（21b）由NMOS和PMOS组合连接而成的8位数据分配器；

所述移位寄存器（21a）由D触发器串联而成，移位寄存器（21a）的位数由受控单元（2）的个数决定，N位的移位寄存器（21a）能控制的受控单元（2）的数量为2^（N-3）个；

所述线圈电流控制器（21d）采用NMOS实现；

所述单元识别码模块由NMOS和PMOS组合连接而成。

4.根据权利要求2或3所述的基于微电子工艺的智能化结构变换系统，其特征在于：所述控制信号的位数应等于或大于移位寄存器（21a）的位数，并将控制信号的前n-3位作为单元识别码，将控制信号的后3位逆顺序作为电磁线圈选定码。

5.根据权利要求1或2所述的基于微电子工艺的智能化结构变换系统，其特征在于：所述时钟信号的频率是控制信号的频率的两倍。