第一篇：環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 專業(yè)課程論文

題目: 環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用 姓名:

學(xué)院:專業(yè): 班級(jí):

學(xué)號(hào): 指導(dǎo)教師: 麥麥提.阿布都拉 農(nóng)學(xué)院 生物技術(shù) 生技061 063135121 葛杰職稱:

2010年11月25日

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處制

環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

作者：麥麥提.阿布都拉指導(dǎo)教師：姚正培

[摘 要]: 環(huán)境生物技術(shù)是一門利用微生物介質(zhì)為人類提供服務(wù)的技術(shù)科學(xué), 其核心思想是依據(jù)各類微生物的生態(tài)活動(dòng)規(guī)律,從中尋找最有效的能解決目前一些環(huán)境問題的途徑, 如稀釋污染物、截留廢物中的可循環(huán)利用資源等。主要介紹了環(huán)境生物技術(shù)的形成和發(fā)展過程, 以及在治理水污染, 土壤污染, 白色污染和農(nóng)藥污染等方面的應(yīng)用。最后討論了環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]: 環(huán)境生物技術(shù);污染治理;應(yīng)用前景

引言 環(huán)境生物技術(shù)(Environmental Biotechnology)是生物技術(shù)在環(huán)境治理和環(huán)境保護(hù)中的廣泛應(yīng)用衍生出的一門新學(xué)科和新技術(shù), 是一門由現(xiàn)代生物技術(shù)與環(huán)境工程技術(shù)相結(jié)合而形成的前沿交叉學(xué)科。凡是與生物技術(shù)結(jié)合, 對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控、治理或修復(fù),清潔生產(chǎn)、污染物資源化以及生物材料和能源開發(fā)等, 均屬于環(huán)境生物技術(shù)研究和應(yīng)用的范疇[1]。

1環(huán)境生物技術(shù)的形成和發(fā)展世紀(jì)末, 生物濾池的出現(xiàn)和1914 年W.Lockett 和E.Alden 發(fā)明的“活性污泥法”被視為環(huán)境生物技術(shù)的開端。2O 世紀(jì)五六十年代, 由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展, 隨之而來的環(huán)境污染尤其是水污染的加劇, 直接促進(jìn)了環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展。進(jìn)入7O 年代, 污染物可降解性和分解程度方面的研究有了相當(dāng)大的提高。StaIldford 大學(xué)的Perry Mc Carty 和LilyY.Young, 德國(guó)的Bernardschink, K.N.Timmis, G.Fuchs 及當(dāng)時(shí)在荷蘭工作A.J.B.Zehnder, 都開始系統(tǒng)地對(duì)一系列芳香類有機(jī)物的好氧和厭氧條件下的分解和降解途徑及其機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。Chakrabaty 等人還首次構(gòu)建了含有多種降解質(zhì)粒的“超級(jí)細(xì)菌”。

現(xiàn)代生物技術(shù)向環(huán)境科學(xué)與工程的滲透促進(jìn)了環(huán)境生物技術(shù)的產(chǎn)生。1981 年, 歐洲的生物技術(shù)聯(lián)盟(EFB)首次將“環(huán)境生物技術(shù)”用于命名相關(guān)的專門機(jī)構(gòu), 并將控制污染的生物技術(shù)概稱為環(huán)境生物技術(shù)。1983 年, 美國(guó)在西雅圖召開了首屆“利用基因控制污染”的環(huán)境生物技術(shù)專題會(huì)議, 提出環(huán)境生物技術(shù)的中心任務(wù)是解決有毒有害化學(xué)品的污染問題。8O 年代后期, 分子生物技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染治理, 尤其在可降解微生物及其降解機(jī)理方面進(jìn)行了更深入的研究。Exxon 油輪在Alaska 的漏油事故中, Ronal Atlas 等微生物學(xué)家證實(shí)了環(huán)境中的土著微生物(Indigenous microorganism)能夠分解掉石油成份。Michigan 州立大學(xué)的James Tiedje 的實(shí)驗(yàn)室, 首次從污染的河泥中分離出了具有脫氯功能的厭氧微生物, 后來又提出了還原脫氯反應(yīng)與微生物的能量代謝是結(jié)合在一起的理論, 增加了人們對(duì)微生物代謝途徑的了解。1994 年, 由美國(guó)生物工業(yè)組織(BIO)和白宮國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)共同組織的可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)大會(huì)上提出了基因工程微生物、優(yōu)選微生物和生物傳感技術(shù)中可利用茵類等三大最新發(fā)展技術(shù)。1995 年, 美國(guó)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)發(fā)表的《21 世紀(jì)生物技術(shù)新方向》藍(lán)皮報(bào)告。將環(huán)境保護(hù)和環(huán)境生物技術(shù)列在了重要地位。在此之后又召開兩屆國(guó)際環(huán)境生物技術(shù)大會(huì)。這些事實(shí)不但表明了環(huán)境生物技術(shù)的發(fā)展及演變與世界各地出現(xiàn)的一系列的環(huán)境污染問題有著密切的聯(lián)系, 而且充分顯示出世

界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和環(huán)境生物技術(shù)研究的高度重視[2]。

2環(huán)境生物技術(shù)應(yīng)用研究[3-7]

2.1 污水的生物凈化

污水中的有毒物質(zhì)的成分十分復(fù)雜, 包括各種酚類、氰化物、重金屬、有機(jī)磷、有機(jī)汞、有機(jī)酸、醛、醇及蛋白質(zhì)等等。微生物通過自身的生命活動(dòng)可以解除污水的毒害作用, 從而使污水中的有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有益的無毒物質(zhì), 使污水得到凈化。當(dāng)今固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)處理污水就是生物凈化污水的方法之

一。固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)是酶工程技術(shù)。固定化酶又稱水不溶性酶, 是通過物理吸附法或化學(xué)鍵合法使水溶性酶和固態(tài)的不溶性載體相結(jié)合, 將酶變成不溶于水但仍保留催化活性的衍生物,微生物細(xì)胞是一個(gè)天然的固定化酶反應(yīng)器, 用制備固定化酶的方法直接將微生物細(xì)胞固定, 即是可催化一系列生化反應(yīng)的固定化細(xì)胞。運(yùn)用固定化酶和固定化細(xì)胞可以高效處理廢水中的有機(jī)污染物、無機(jī)金屬毒物等, 此方面國(guó)內(nèi)外成功的例子很多, 如德國(guó)將能降解對(duì)硫磷等9 種農(nóng)藥的酶, 以共介結(jié)合法固定于多孔玻璃及硅珠上, 制成酶柱, 用于處理對(duì)硫磷廢水, 去除率達(dá)95%以上;近幾年我國(guó)在應(yīng)用固定化細(xì)胞技術(shù)降解合成洗滌劑中的表面活性劑直鏈烷基苯磺酸鈉(LAS)方面取得較大進(jìn)展, 對(duì)于ρ(LAS)為100 mg/L 的廢水, 降解率和酶活性保存率均在90%以上;利用固定化酵母細(xì)胞降解含酚廢水也已實(shí)際應(yīng)用于廢水處理。

2.2 污染土壤的生物修復(fù)

重金屬污染是造成土壤污染的主要污染物。重金屬污染的生物修復(fù)是利用生物(主要是微生物、植物)作用, 削減、凈化土壤中重金屬或降低重金屬的毒性。其原理是:通過生物作用(如酶促反應(yīng))改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài), 使重金屬固定或解毒, 降低其在土壤環(huán)境中的移動(dòng)性和生物可利用性, 通過生物吸收、代謝達(dá)到對(duì)重金屬的削減、凈化與固定作用。污染土壤的生物修復(fù)過程可以增加土壤有機(jī)質(zhì)的含量, 激發(fā)微生物的活性, 由此可以改善土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu), 這將有助于土壤的固定, 遏制風(fēng)蝕、水蝕等作用, 防止水土流失。

2.3 白色污染的消除

廢棄塑料和農(nóng)用地膜經(jīng)久不化解, 估計(jì)是形成環(huán)境污染的重要成分。據(jù)估計(jì)我國(guó)土壤、溝河中塑料垃圾有百萬噸左右。塑料在土壤中殘存會(huì)引起農(nóng)作物減產(chǎn), 若再連續(xù)使用而不采取措施, 十幾年后不少耕地將顆粒無收, 可見數(shù)量巨大的塑料垃圾嚴(yán)重影響著生態(tài)和環(huán)境, 研究和開發(fā)生物可降解塑料已迫在眉睫。利用生物工程技術(shù)一方面可以廣泛地分離篩選能夠降解塑料和農(nóng)膜的優(yōu)勢(shì)微生物、構(gòu)建高效降解菌, 另一方面可以分離克隆降解基因并將該基因?qū)肽骋煌寥牢⑸?如: 根瘤菌)中, 使兩者同時(shí)發(fā)揮各自的作用, 將塑料和農(nóng)膜迅速降解。同時(shí), 還需大力推行可降解塑料和地膜的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。

有些微生物能產(chǎn)生與塑料類似的高分子化合物即聚酯, 這些聚酯是微生物內(nèi)源性貯藏物質(zhì), 可以用發(fā)酵方法進(jìn)行生產(chǎn), 由此形成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔點(diǎn)、高彈性、不含有毒物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)而在醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域有極好的應(yīng)用前景。為了降低成本、提高產(chǎn)量, 人們正在用重組DNA 技術(shù)對(duì)相關(guān)的微生物進(jìn)行改造, 此方面目前一個(gè)研究熱點(diǎn)是采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)聚-β羥基烷酸

(PHAs), 研究人員正設(shè)法構(gòu)建出自溶性PHAs 生產(chǎn)菌種, 即將PHAs重組菌進(jìn)行發(fā)酵, 在積累大量的PHAs 后, 加入信號(hào)物質(zhì), 使裂解蛋白產(chǎn)生, 細(xì)胞壁破壞, PHAs 析出, 以簡(jiǎn)化胞內(nèi)產(chǎn)物PHAs 的提取過程, 降低提取成本。

2.4 化學(xué)農(nóng)藥污染的消除

一般情況下, 使用的化學(xué)殺蟲劑約80%會(huì)殘留在土壤中, 特別是氯代烴類農(nóng)藥是最難分解的,經(jīng)生態(tài)系統(tǒng)造成滯留毒害作用。因此多年來人們一直在尋找更為安全有效的辦法, 而利用微生物降解農(nóng)藥已成為消除農(nóng)藥對(duì)環(huán)境污染的一個(gè)重要方面。能降解農(nóng)藥的微生物, 有的是通過礦化作用將農(nóng)藥逐漸分解成終產(chǎn)物CO2 和H2O, 這種降解途徑徹底, 一般不會(huì)帶來副作用;有的是通過共代謝作用, 將農(nóng)藥轉(zhuǎn)化為可代謝的中間產(chǎn)物, 從而從環(huán)境中消除殘留農(nóng)藥, 這種途徑的降解結(jié)果比較復(fù)雜, 有正面效應(yīng)也有負(fù)面效應(yīng)。為了避免負(fù)面效應(yīng), 就需要用基因工程的方法對(duì)已知有降解農(nóng)藥作用的微生物進(jìn)行改造, 改變其生化反應(yīng)途徑, 以希望獲得最佳的降解、除毒效果。要想徹底消除化學(xué)農(nóng)藥的污染, 最好全面推廣生物農(nóng)藥。

所謂生物農(nóng)藥是指由生物體產(chǎn)生的具有防止病蟲害和除雜草等功能的一大類物質(zhì)總稱, 它們多是生物體的代謝產(chǎn)物, 主要包括微生物殺蟲劑、農(nóng)用抗生素制劑和微生物除草劑等。其中微生物殺蟲劑得到了最廣泛的研究, 主要包括病毒殺蟲劑、細(xì)菌殺蟲劑、真菌殺蟲劑、放線菌殺蟲劑等。長(zhǎng)期以來并沒有得到廣泛的使用?，F(xiàn)在人們正在利用重組DNA 技術(shù)克服其缺點(diǎn)來提高殺蟲效果, 例如目前病毒殺蟲劑的一個(gè)研究熱點(diǎn)是桿狀病毒基因工程的改造, 人們正在研究將外源毒蛋白基因如編碼神經(jīng)毒素的基因克隆到桿狀病毒中以增強(qiáng)桿狀病毒的毒性;將能干擾害蟲正常生活周期的基因如編碼保幼激素酯酶的基因插入到桿狀病毒基因組中, 形成重組桿狀病毒并使其表達(dá)出相關(guān)激素,以破壞害蟲的激素平衡, 干擾其正常的代謝和發(fā)育從而達(dá)到殺死害蟲的目的。環(huán)境生物技術(shù)的優(yōu)越性

用環(huán)境生物技術(shù)處理污染物時(shí), 最終產(chǎn)物大都是無毒無害的、穩(wěn)定的物質(zhì), 如二氧化碳、水和氮?dú)狻＠蒙锓椒ㄌ幚砦廴疚锿ǔＤ芤徊降轿? 避免了污染物的多次轉(zhuǎn)移, 因此它是一種消除污染安全而徹底的方法。特別是現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展, 尤其是基因工程、細(xì)胞工程和酶工程等生物高技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用, 大大強(qiáng)化了上述環(huán)境生物處理過程, 使生物處理具有更高的效率,更低的成本和更好的專一性, 為生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用展示了更為廣闊的前景。美國(guó)環(huán)保局(EPA)在評(píng)價(jià)環(huán)境生物技術(shù)時(shí)也指出“生物治理技術(shù)優(yōu)于其他新技術(shù)的顯著特點(diǎn)在于其是污染物消除技術(shù)而不是污染物分離技術(shù)”[8]。環(huán)境生物技術(shù)存在的問題

盡管生物技術(shù)相對(duì)安全, 但在其應(yīng)用當(dāng)中還存在一定的問題與困難, 主要表現(xiàn)在: ①反應(yīng)速度不如化學(xué)法快, 因而需要較大的反應(yīng)器和占地面積;②對(duì)原水水質(zhì)有一定的要求, 否則將會(huì)妨礙微生物的生長(zhǎng);③在運(yùn)行中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹和流失, 剩余污泥也難處理;④對(duì)于一些人工合成物, 特別是難生化降解物質(zhì), 通常的微生物尚顯得無能為力;⑤活的有害菌體從實(shí)驗(yàn)室泄漏到環(huán)境中;⑥大規(guī)模工程微生物的應(yīng)用可能影響生態(tài)系統(tǒng)。目前, 科學(xué)家們正在努力解決這些問題和開始控制這種潛在的危險(xiǎn)性[9]。環(huán)境生物技術(shù)的廣闊前景

當(dāng)前, 環(huán)境生物技術(shù)在國(guó)際上已進(jìn)入蓬勃發(fā)展的軌道。隨著全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視和越來越嚴(yán)厲的環(huán)境法, 市場(chǎng)對(duì)環(huán)境生物技術(shù)的需求越來越廣泛。隨著環(huán)境生物技術(shù)的進(jìn)展和市場(chǎng)開拓,其應(yīng)用已從單個(gè)的環(huán)境目標(biāo)治理, 發(fā)展為廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)的各個(gè)方面。環(huán)境生物技術(shù)已不單純是一種污染治理技術(shù), 而已開始影響到包括其他行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策, 促進(jìn)各工業(yè)部門逐步以生物過程替代傳統(tǒng)的化工過程, 使許多污染行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)真正進(jìn)入無污染的清潔生產(chǎn)的軌道。目前, 我國(guó)的環(huán)境生物技術(shù)處于剛剛起步階段。該技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)需要得到社會(huì)、同行及主管部門的廣泛支持, 大力開展以污染控制生物技術(shù)為主體的環(huán)境生物技術(shù)的研究, 將大力推進(jìn)生物技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用, 并將通過生物技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)整個(gè)環(huán)?？萍嫉陌l(fā)展, 解決我國(guó)目前和未來面臨的嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問題, 并為環(huán)保市場(chǎng)提供高品質(zhì)的環(huán)境保護(hù)高技術(shù)。應(yīng)該充分認(rèn)識(shí)到環(huán)境生物技術(shù)開發(fā)對(duì)我國(guó)環(huán)境保護(hù)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1]國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司,中國(guó)工程學(xué)會(huì).2002 中國(guó)生物技術(shù)發(fā)展報(bào)告[R].北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2003.[2] Byoung Is ja K In situ biore mediation of cutting andgrinding oil.Contaminated soil using bioventing technologywith injection by the horizontal wells(Al.Fith ISEBA)[C].Kyoto: Kyoto international conference Hal1,2000.[3] 孔繁翔.環(huán)境生物學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000.[4] 劉淑梅, 張淑芬.環(huán)境生物技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2005, 30(4): 44-46.[5] 陳堅(jiān).環(huán)境生物技術(shù)[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1999.[6] 王建龍,文湘華 現(xiàn)代環(huán)境生物技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.[7] 姜成林,徐麗華.微生物資源的開發(fā)與利用[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001.[8] 潘涔軒.環(huán)境保護(hù)與生物技術(shù)[M].99 中國(guó)青年環(huán)境科技論壇,北京:中國(guó)青年出版社, 1999.[9] Grommenn, Vefstraete Willy.The ongoing quest Jot rnal of

Biotechnology [J].Environmental biotechnology,2002, 98(1):113-123

第二篇：無線光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

無線光通信技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

一、無線光通信技術(shù)發(fā)展歷史

光在空氣中直接傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q之為無線光通信。也就是利用激光束作為信道在空間（近地或外太空）中直接進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)、圖像等信息雙向傳送的一種技術(shù)。又稱為“自由空間光通信”（Freespace opticalunicanon）或虛擬光纖（VirtualFiler）。無線光通信的出現(xiàn)比無線電通信要早得多。在兩千七百年前的周幽王時(shí)代，就有了利用烽火臺(tái)通信的方法。這是人類最早利用無線光通信的典型方式。后來，雖然人類社會(huì)的文明程度和科學(xué)技術(shù)得到了很大的提高，但是簡(jiǎn)單的利用光傳遞信息的方式仍然在廣泛使用，例如紅黃綠交通信號(hào)燈、旗語等。不論是烽火臺(tái)，還是交通紅綠燈、旗語，它們都是利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。這些都是非常原始的無線光通信方式。其后許多年，無線光通信幾乎沒有什么太大的發(fā)展。

盡管如此，人們?nèi)匀粵]有對(duì)無線光通信失去興致。以發(fā)明電話而著名的貝爾，在1876年發(fā)明了電話之后，就想到利用光來通電話。1880年，他利用太陽光作光源，大氣為傳輸媒質(zhì)，用硒晶體作為光接收器件，成功地進(jìn)行了光電話的實(shí)驗(yàn)，通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了213m。1881年，貝爾宣讀了一篇題為《關(guān)于利用光線進(jìn)行聲音的產(chǎn)生與復(fù)制》的論文，報(bào)導(dǎo)了他的光電話裝置。在貝爾本人看來：在他的所有發(fā)明中，光電話是最偉大的發(fā)明。這被認(rèn)為是近代無線光通信的開始。1930年至1932年間，日本在東京的日本電報(bào)公司與每日新聞社之問實(shí)現(xiàn)了3 6kn，的無線光通信，但在大霧大雨天氣里效果很差。第二次世界大戰(zhàn)期間，無線光電話發(fā)展成為紅外線電話，因?yàn)榧t外線肉眼看不見，更有利于信息保密。

利用光在大氣中傳送信息方便簡(jiǎn)單，所以人們開始研究的光通信都是這種方式。但是光在大氣中的傳送要受到氣象條件的很大限制，比如在遇到下雨、下雪、陰天、下霧等情況，信號(hào)傳輸受到很大阻礙。此外，太陽光、燈光等普通的可見光源，都不適合作為通信的光源，因?yàn)閺耐ㄐ偶夹g(shù)上看，這些光都是帶有“噪聲”的光。也就是說，這些光的頻率不穩(wěn)定、不單一，光的性質(zhì)也很復(fù)雜。因此，要用光來通信，必須找到高強(qiáng)度的、可靠的光源。在此后的幾十年中，由于這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)沒有得到解決，無線光通信就一直裹足不前。也正因此，貝爾的光話始終沒有走上實(shí)用化的階段。

1960年7月8日，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了紅寶石激光器，從此人們便可獲得性質(zhì)與電磁波相似而頻率穩(wěn)定的光源。激光器的發(fā)明對(duì)無線光通信的研究工作產(chǎn)生了重大的影響。研究現(xiàn)代化無線光通信的時(shí)代也從此開始。20世紀(jì)60年代后，隨著人們對(duì)通信的要求變得越來越強(qiáng)烈，無線光通信獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。許多實(shí)驗(yàn)室用氫-氖氣體激光器做了傳送電視信號(hào)和20路電話的實(shí)驗(yàn)。也有的公司制成了語言信道試驗(yàn)性通信系統(tǒng)，最大傳輸距離為600米。到70年代初無線激光通信己進(jìn)入應(yīng)用發(fā)展階段。然而1970年半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖這兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的重大突破，使光纖通信開始從理想變成可能，這立即引起了各國(guó)電信科技人員的重視，他們競(jìng)相進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)芝加哥市投入商用，速率為45Mb/s。這也同時(shí)標(biāo)志著無線光通信的研發(fā)開始轉(zhuǎn)向外太空光通信，近地的無線光通信工作幾乎停滯。20世紀(jì)90年代后期，隨著全光接入網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)固定無線應(yīng)用的關(guān)注和對(duì)高速率的要求，無線光通信技術(shù)因其具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，在固定無線寬帶接人技術(shù)中，能為寬帶接人的快速部署提供一種靈活的解決方案，又得到了極大的關(guān)注。其應(yīng)用范圍己從軍用和航天逐漸邁人民用領(lǐng)域，技術(shù)也在得以逐步完善。

二、基本工作原理

1880年，貝爾的光電話用弧光燈或者太陽光作為光源，光束通過透鏡聚焦在話筒的震動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，震動(dòng)片隨著話音震動(dòng)而使反射光的強(qiáng)弱隨著話音的強(qiáng)弱作相應(yīng)的變化，從而使話音信息調(diào)制在光波上。在接收端，裝有一個(gè)拋物面接收鏡，它把經(jīng)過大氣傳送過來的載有話音信息的光波反射到硅光電池上，硅光電池將光能轉(zhuǎn)換成電流。電流送到聽筒，就可以聽到從發(fā)送端送過來的聲音了。這是無線光通信的基本工作原理?，F(xiàn)代無線光通信設(shè)備的每一端分別包括專用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、激光收發(fā)器、線路接口、電源、機(jī)械支架等部分組成。一些廠商的設(shè)備還包括伺服機(jī)構(gòu)、監(jiān)控裝置、微波備份及遠(yuǎn)程管理軟件等部分。

激光收發(fā)器的光源主要采用LD和LED，其中的LD多采用鋁砷化鉀二極管、DFB，接收器主要采用PIN或APD。

三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

1、技術(shù)優(yōu)勢(shì) 相對(duì)于常用的數(shù)字微波、銅纜數(shù)字用戶線、光纖等其他幾種接入方式，無線光通信主要優(yōu)勢(shì)有：①良好的安全保密性，由于激光的高指向性使它的發(fā)射光束極窄，方向性很好。通常激光光束的發(fā)散角都在毫弧度，甚至微弧度數(shù)量級(jí)，因此具有數(shù)據(jù)傳遞極高的保密性。②無微波頻段的許可證，因?yàn)闊o線光通信的工作頻段在350THz，設(shè)備間無射頻信號(hào)干擾前無需申請(qǐng)頻率使用許可證。③運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)低廉，由于無須進(jìn)行昂貴的管道工程鋪設(shè)和維護(hù)，使得其造價(jià)約為光纖通信工程的五分之一。④架設(shè)迅速無線光通信架設(shè)、組網(wǎng)速度快，只須在通信節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，工程建設(shè)以小時(shí)或天為計(jì)量單位，尤其適合作為光纖通信的應(yīng)急故障后備及臨時(shí)構(gòu)造大容量的通信鏈路。重新撤換部署也很方便。⑤透明的傳輸協(xié)議對(duì)于任何傳輸協(xié)議均可容易的迭加，電路和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都可透明傳輸。⑥設(shè)備尺寸小，由于光波的波長(zhǎng)短，在同樣功能情況下，光收發(fā)天線的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，同時(shí)功耗小，體積小，重最輕。⑦信息容量大，光波作為信息載體可輕易傳輸高達(dá)10Gb/s的數(shù)據(jù)。目前已經(jīng)商用無線激光設(shè)備，最高速率已達(dá)2 5Gb/s。實(shí)驗(yàn)室里最高傳輸速率已達(dá)160Gb/s。

2、技術(shù)劣勢(shì)

當(dāng)然，無線光通信也有其固有的劣勢(shì)：①天氣影響通信質(zhì)量天氣因素尤其是大霧、沙塵暴等所引起的光的色散、漫反射將極大影響光通信的質(zhì)量。②通信距離受限目前用于近地的民用無線光通信的設(shè)備所能達(dá)到的距離受人眼安全的發(fā)射功率、成本、數(shù)據(jù)速率、天氣條件等的限制，一般為100m-5kmm，延長(zhǎng)傳輸距離也可以通過建立中繼站的方法。③只能在視距范圍內(nèi)建立通信鏈路兩個(gè)通信節(jié)點(diǎn)之間視距范圍內(nèi)必須無遮擋。對(duì)于中間存在障礙物而不可直視的兩點(diǎn)之間的傳輸，可以通過建立一個(gè)中繼站實(shí)現(xiàn)連接。④安裝點(diǎn)的震動(dòng)影響樓頂搖晃、振動(dòng)可能會(huì)影響兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的激光對(duì)準(zhǔn)，使通信質(zhì)量下降甚至?xí)簳r(shí)中斷。⑤意外因素可能使通信鏈路中斷如飛鳥等障礙物經(jīng)過鏈路空問，通信可能會(huì)瞬間中斷。

總之，由于無線光通信設(shè)備固有的特點(diǎn)，在眾多接入方式中具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

四、應(yīng)用領(lǐng)域

與傳統(tǒng)的租用線路比較，無線光通信綜合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)其最大優(yōu)勢(shì)（寬帶寬）與最大劣勢(shì)（短距離），定位在城域接入網(wǎng)、交換機(jī)和移動(dòng)基站等設(shè)備的連接、閉路監(jiān)視系統(tǒng)、廣播電視信號(hào)的單、雙工的傳輸中使用?？梢院莒`活的接人數(shù)據(jù)、話音、視頻業(yè)務(wù)。其益處在于長(zhǎng)期費(fèi)用的節(jié)約和對(duì)數(shù)據(jù)吞吐能力的增長(zhǎng)。目前的主要應(yīng)用場(chǎng)合包括：①對(duì)于特殊要求的線路進(jìn)行冗余備份以及應(yīng)急時(shí)鏈路和意外恢復(fù)：在突發(fā)的自然或人為意外災(zāi)害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復(fù)時(shí)，或者在一些特殊地方發(fā)生突發(fā)事件，需要應(yīng)急通信，采用無線光通信進(jìn)行快速的部署。②提供室內(nèi)外、臨近局域網(wǎng)之間的互連互通：當(dāng)分布在兩座樓宇之間的辦公室需要建立一條企業(yè)內(nèi)部通信鏈路，受價(jià)格、帶寬、線路資源等因素和其他通信方式不能較好地解決時(shí)，采用無線光通信就可快速解決。③解決綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)（FSN）接入的“最后一公里”：對(duì)智能小區(qū)的寬帶接入，大企業(yè)Intmnet的互連，校園網(wǎng)的互連，大客戶的寬帶接入等提供一種快速靈活的方案，可提供2Mb／s～2.5Gb／s的帶寬。④在不具備接入條件或帶寬不足時(shí)提供高效的接入方案：在通信鏈路跨越高速公路、鐵路、河流、峽谷、海灣或擁擠的城區(qū)時(shí)，由于地理?xiàng)l件的限制無法敷設(shè)光纖線路時(shí)，采用無線光通信可以有效解決。⑤用于移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)基站與交換中心的互聯(lián)。⑥用于一些大型集會(huì)如運(yùn)動(dòng)會(huì)、展覽會(huì)、慶祝會(huì)等需要快速建立一些臨時(shí)鏈路用于現(xiàn)場(chǎng)通信的場(chǎng)合。

五、結(jié)束語

無線光通信填補(bǔ)了受頻率資源許可、價(jià)格、帶寬等限制的無線通信方式與受地形、建網(wǎng)時(shí)間等特殊限制的光纖通信方式之間的空白。在一些情況下可以解決其他方式無法解決的問題?？梢造`活、快速地以較小的投資建立寬帶通信鏈路。因此，在調(diào)查和了解使用過程中的不同條件和要求如傳輸?shù)木嚯x、速率、誤碼率、可通率以及當(dāng)?shù)氐镍B群和氣象條件如降雨、雪、霧、沙塵的天數(shù)及程度等情況下，可以充分考慮利用無線光通信的方式組阿，迅速建立一個(gè)有效覆蓋且能夠?yàn)橛脩籼峁┒说蕉说木C合接入服務(wù)能力的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)。

第三篇：淺析脈沖電子圍欄技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

淺析脈沖電子圍欄技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

前言》

脈沖電子圍欄作為最主流應(yīng)用的一種實(shí)現(xiàn)公共安全的新型高科技智能周界報(bào)警產(chǎn)品，它與傳統(tǒng)的紅外、微波、靜電感應(yīng)等周界安防系統(tǒng)相比，具有誤報(bào)率低、不受地形和環(huán)境限制、安全性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于世博會(huì)、奧運(yùn)會(huì)、變電站、工廠、小區(qū)、學(xué)校、別墅、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)、軍事基地、看守所、監(jiān)獄等各個(gè)行業(yè)。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與信息化建設(shè)的深入，市場(chǎng)對(duì)周界安防要求不斷提高，尤其對(duì)解決安防行業(yè)核心系統(tǒng)存在的技術(shù)漏洞需求最為明顯。市場(chǎng)需求催生了創(chuàng)新的周界安防產(chǎn)品，第五代脈沖電子圍欄產(chǎn)品—“T6/T8系列觸網(wǎng)防旁路脈沖電子圍欄主機(jī)”應(yīng)運(yùn)而生。T6/T8系列電子圍欄主機(jī)采用Smart DEC智能算法（全稱“防等電位破解技術(shù)”），新增單線觸網(wǎng)報(bào)警、防旁路報(bào)警功能，終結(jié)了電子圍欄行業(yè)長(zhǎng)期存在的兩大技術(shù)漏洞，且能通過識(shí)別前端觸網(wǎng)信號(hào)，極大的降低誤報(bào)率。從用戶的角度考慮，第五代脈沖電子圍欄主機(jī)最大程度上改善了用戶體驗(yàn)，電子圍欄技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)入了下一個(gè)里程碑時(shí)代。

脈沖電子圍欄的前世今身》

電子圍欄發(fā)展可追溯到上世紀(jì)二三十年代，從最原始的牧場(chǎng)電子圍欄到第五代智能觸網(wǎng)防旁路型脈沖電子圍欄的演化，這無疑是電子圍欄近100年來無數(shù)次技術(shù)革新的成果。第一階段：牧場(chǎng)電子圍欄

電子圍欄最早起源于英國(guó)英格蘭的流動(dòng)牧場(chǎng)，牧人為了放牧的需要，拉一根導(dǎo)線，通上直流電，就形成簡(jiǎn)單的電子圍欄，使牲畜在一定范圍內(nèi)活動(dòng)。戰(zhàn)后在歐洲，牧業(yè)在農(nóng)業(yè)中的比重是很高的，大量的牧業(yè)市場(chǎng)需求促進(jìn)了“電子圍欄”的開發(fā)和推廣。牛羊等遇到“電子圍欄”的電擊阻擋而退回，很好地起到“牧羊人”的作用，同時(shí)也防止圈外的大型動(dòng)物或猛獸跑進(jìn)來，對(duì)當(dāng)時(shí)的牧業(yè)發(fā)展起到了較大的促進(jìn)，在一些畜牧業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家仍然在發(fā)揮著較大的作用，姑且算是第一代電子圍欄產(chǎn)品的雛形。第二階段：報(bào)警電子圍欄

隨著整個(gè)“電子圍欄”行業(yè)的發(fā)展和深入，產(chǎn)品附件和種類越來越多，90年代中后期具有阻擋和報(bào)警功能的智能型周界安防報(bào)警系統(tǒng)，開始專業(yè)用于社會(huì)公共安全領(lǐng)域，它具有斷路、短路、失電報(bào)警功能同時(shí)又秉承了電子圍欄的安全阻擋功能。該產(chǎn)品充分考慮了人的主動(dòng)性和智慧性，能準(zhǔn)確判斷出無意觸摸、蓄意破壞、非法闖入等各種情況，是現(xiàn)周界安防項(xiàng)目的比較好的選擇。第三階段：智能電子圍欄

隨著人們對(duì)產(chǎn)品性能和功能的要求越來越高，產(chǎn)品需要更加人性化，具有更多功能的產(chǎn)品開始出現(xiàn)。第二代產(chǎn)品輸出脈沖電壓恒定，當(dāng)周界的長(zhǎng)短出現(xiàn)變化時(shí)，前端的電壓會(huì)隨著周界的長(zhǎng)度出現(xiàn)過高或過低的現(xiàn)象;同時(shí)當(dāng)產(chǎn)品安裝在圍墻較低的別墅或小區(qū)時(shí)，白天會(huì)出現(xiàn)誤擊到小孩或附近工作人員的現(xiàn)象?；谝陨蠁栴}，第三代可調(diào)節(jié)輸出電壓和可設(shè)定高壓模式、安全模式切換功能的產(chǎn)品入市，如G3/T5系列脈沖電子圍欄主機(jī)，它具有斷路、短路、失電報(bào)警功能同時(shí)又秉承了電子圍欄的安全阻擋功能，充分考慮了人的主動(dòng)性和智慧性，能準(zhǔn)確判斷出無意觸摸、蓄意破壞、非法闖入等各種情況。同時(shí)，這一階段的產(chǎn)品還有的具有遙控操作、遠(yuǎn)距離操作等功能，為產(chǎn)品大規(guī)模地應(yīng)用于別墅、小區(qū)提供了更好的產(chǎn)品。第四階段：網(wǎng)絡(luò)電子圍欄

隨著安防行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的逐步深入，絕大部分周界報(bào)警系統(tǒng)仍停留在前端報(bào)警和單一設(shè)備的控制管理之上，存在無法進(jìn)行聯(lián)動(dòng)的缺陷，致使安防系統(tǒng)處于“分散管理”的狀態(tài)。由此網(wǎng)絡(luò)電子圍欄應(yīng)運(yùn)而生，以G5S/G5P系列脈沖電子圍欄主機(jī)為例，其主要節(jié)點(diǎn)設(shè)備全網(wǎng)絡(luò)電子圍欄主機(jī)、智能控制終端和管理軟件都可直接接入以太網(wǎng)，用戶通過網(wǎng)絡(luò)即可監(jiān)管電子圍欄，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳遞、數(shù)據(jù)交互和遠(yuǎn)程監(jiān)管的功能需求。第四代產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化與集成化程度達(dá)到了空前成熟水平，且具有方案靈活、施工簡(jiǎn)便、成本節(jié)省、傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)。

三年磨一劍的技術(shù)突破》

智能感知磁場(chǎng)平衡波，彌補(bǔ)技術(shù)漏洞

脈沖電子圍欄是通過主機(jī)的發(fā)射端口向前端圍欄上的合金線發(fā)射脈沖電，由接收端接收脈沖電信號(hào)，使電子圍欄系統(tǒng)形成一個(gè)完整的回路。一旦有人為入侵，造成相鄰兩根合金線的短路或者有人故意破壞剪斷前端圍欄合金線（開路），脈沖電子圍欄主機(jī)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)并通過通信線路傳送至控制中心。

在脈沖電子圍欄行業(yè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，卻有著兩個(gè)致命的技術(shù)弊端困擾著行業(yè)從業(yè)人員多年：?jiǎn)尉€觸網(wǎng)不報(bào)警和旁路跨接不報(bào)警，為用戶帶來了極大的安全隱患。目前市面上的脈沖電子圍欄產(chǎn)品單線觸網(wǎng)雖然可以對(duì)入侵者產(chǎn)生電擊，在電阻很小的時(shí)候有些產(chǎn)品也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，但當(dāng)電阻很大的時(shí)候就不會(huì)報(bào)警。這也就是說，當(dāng)入侵者穿著球鞋或帶著塑膠手套以單線觸網(wǎng)方式攀爬圍欄，則市面上的電子圍欄將不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，而入侵者所穿戴的絕緣材質(zhì)物品也可阻擋其遭受前段圍欄的電擊，使其順利翻越圍墻，存在嚴(yán)重的防范漏洞。

旁路跨接不報(bào)警是現(xiàn)有電子圍欄的另一技術(shù)弊端。旁路跨接分為單線旁路跨接（圖1）和回路旁路跨接（圖2），當(dāng)入侵者用短路線分別連接電子圍欄前端每根金屬線的兩端（單線旁路跨接），或用兩

（四）條短路線在圍欄網(wǎng)絡(luò)接線跨接處分別連接相間隔的金屬線（回路旁路跨接）后，電子圍欄前端產(chǎn)生失效區(qū)，而當(dāng)失效區(qū)金屬線被剪斷時(shí)，主機(jī)不報(bào)警，入侵者就可以趁這個(gè)“漏洞”翻越圍欄，造成財(cái)產(chǎn)損失。

圖1

圖2 為了彌補(bǔ)電子圍欄的缺陷及增加客戶的安全保障，上海廣拓耗時(shí)3年成功研發(fā)出全新的T6/T8系列觸網(wǎng)防旁路型脈沖電子圍欄，采用Smart DEC智能算法（全稱“防等電位破解技術(shù)”），能通過識(shí)別前端觸網(wǎng)情況，實(shí)現(xiàn)單線觸網(wǎng)報(bào)警、防旁路報(bào)警、短路報(bào)警和斷路報(bào)警這四類報(bào)警方式，從真正意義上解決了長(zhǎng)久存在的技術(shù)漏洞，提升電子圍欄的安全性。全析計(jì)算識(shí)別入侵信號(hào)，最大降低誤報(bào)

電子圍欄主機(jī)原則上是不允許有漏報(bào)，如何在沒有漏報(bào)的基礎(chǔ)上減少誤報(bào)是目前各電子圍欄技術(shù)急需解決的問題?，F(xiàn)如今，減少誤報(bào)普遍著力于對(duì)硬件的改進(jìn)上，即傳感器與前端關(guān)鍵元器件的提升。傳感器負(fù)責(zé)對(duì)收集信號(hào)進(jìn)行分析，傳感器分析的程度越準(zhǔn)確，就越能將各種誤報(bào)的信號(hào)排除在外。從總的趨勢(shì)來看，脈沖電子圍欄正不斷向數(shù)字化技術(shù)邁進(jìn)，并成為一種主流趨勢(shì)。與以往幾代脈沖電子圍欄在硬件上的更迭相比，現(xiàn)在數(shù)字化的技術(shù)越來越偏重于軟件，即把一些產(chǎn)生誤報(bào)、漏報(bào)的可能情況，比如小動(dòng)物、風(fēng)、雨、雪等干擾信號(hào)進(jìn)行軟件建模，通過軟件算法識(shí)別出各種誤報(bào)信號(hào)，這樣就可以減少誤報(bào)情況發(fā)生的機(jī)率。在這個(gè)方面，T6/T8系列脈沖電子圍欄主機(jī)采用Smart DEC智能算法，通過感知電子圍欄金屬線上的磁場(chǎng)變化，并經(jīng)由一系列精密運(yùn)算，從而精準(zhǔn)判斷出前端圍欄的觸網(wǎng)情況，全面革新了電子圍欄的報(bào)警技術(shù)。當(dāng)前端圍欄被碰觸，搭載于主機(jī)內(nèi)的Smart DEC智能算法能夠通過計(jì)算圍欄金屬線上電磁場(chǎng)的變化量辨別出是人體還是小動(dòng)物的觸碰，并針對(duì)人為入侵行為向控制中心發(fā)出報(bào)警信號(hào)，極大減少電子圍欄產(chǎn)品的誤報(bào)率。同時(shí)，當(dāng)入侵者使用短路方式對(duì)前端圍欄進(jìn)行接駁，圍欄金屬線上的電磁場(chǎng)平衡將被遭到破壞，Smart DEC智能算法通過對(duì)電磁場(chǎng)平衡波動(dòng)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確探知入侵者的旁路跨接行為（包含單線旁路跨接和回路旁路跨接），并即刻將報(bào)警信息發(fā)送控制中心，為安保人員進(jìn)行處警提供絕佳的時(shí)間優(yōu)勢(shì)。

行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)》

網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化應(yīng)用引發(fā)的市場(chǎng)大變革

基于物聯(lián)網(wǎng)的滲入，未來周界安防的發(fā)展趨勢(shì)，必然是以用戶為核心而設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化等特征的綜合信息操作系統(tǒng)。作為安防系統(tǒng)的第一道屏障，電子圍欄需要一個(gè)數(shù)據(jù)化的系統(tǒng)操作從而更有效的來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。業(yè)內(nèi)專家普遍認(rèn)為，T6/T8系列觸網(wǎng)防旁路型脈沖電子圍欄主機(jī)采用獨(dú)創(chuàng)的Smart DEC技術(shù)，智能識(shí)別入侵者觸碰電子圍欄前端的多種報(bào)警類型，其技術(shù)設(shè)計(jì)理念在周界的前端入侵探測(cè)領(lǐng)域具有顯著創(chuàng)新性和先進(jìn)性。

然而，電子圍欄主機(jī)入侵探測(cè)傳感模式與觸發(fā)判斷的技術(shù)革新仍不能完全滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求，周界安防解決方案更需要擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成平臺(tái)，這使得電子圍欄主機(jī)在設(shè)計(jì)上考慮多種通信方式。以T6/T8系列主機(jī)為例，產(chǎn)品內(nèi)置以太網(wǎng)，RS485豐富接口，最大程度提高了產(chǎn)品通訊連接能力和穩(wěn)定性，適應(yīng)用戶與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語音對(duì)講系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)有效集成需求。便捷的通過智能鍵盤或控制軟件調(diào)控用戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)，如遠(yuǎn)程防區(qū)布撤防、模式切換、輸出電壓調(diào)整、靈敏度調(diào)節(jié)、報(bào)警響應(yīng)時(shí)間調(diào)節(jié)等功能，順利實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)遠(yuǎn)程移動(dòng)的安全警戒和管理。

當(dāng)有人非法翻越圍墻或破壞圍欄時(shí)，脈沖電子圍欄具有阻擋作用，聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)彈出報(bào)警點(diǎn)視頻畫面，進(jìn)行視頻復(fù)核。通過智能控制終端配套的移動(dòng)云警APP管理前端電子圍欄防區(qū)信息一目了然，推送機(jī)制保障報(bào)警信息即時(shí)送達(dá)，報(bào)警信息列表輕松查看報(bào)警詳情，隨時(shí)隨地處理警情。

最后，電子圍欄系統(tǒng)采用的全網(wǎng)絡(luò)化架構(gòu)，和MK智能控制終端、SMC3000管理平臺(tái)組成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需簡(jiǎn)單的將網(wǎng)線插入主機(jī)和光纖收發(fā)器，施工費(fèi)用至少減少30%，降低了工程施工的復(fù)雜程度及成本。以上正是脈沖電子圍欄網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化所帶來的技術(shù)革新，這種變革真正意義上區(qū)別了國(guó)內(nèi)各廠商在產(chǎn)品技術(shù)和設(shè)計(jì)理念上的差異。產(chǎn)品技術(shù)上的差異可以在較短時(shí)間內(nèi)得以趕超，而設(shè)計(jì)理念的差異往往源自于廠商本身自帶的基因，并非簡(jiǎn)單就能彌補(bǔ)及突破。在全球安防市場(chǎng)風(fēng)云驟變的時(shí)代，更驗(yàn)證了電子圍欄領(lǐng)先廠商創(chuàng)新、匠心的戰(zhàn)略實(shí)施為用戶創(chuàng)造安防的全新價(jià)值。

第四篇：CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用

CMP-化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)它利用了磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來進(jìn)行拋光以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的表面拋光。在一定壓力及拋光漿料存在下，被拋光工件相對(duì)于拋光墊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，借助于納米粒子的研磨作用與氧化劑的腐蝕作用之間的有機(jī)結(jié)合，在被研磨的工件表面形成光潔表面151.CMP技術(shù)最廣泛的應(yīng)用是在集成電路(IC)和超大規(guī)模集成電路中(ULSI)對(duì)基體材料硅晶片的拋光。而國(guó)際上普遍認(rèn)為，器件特征尺寸在0.35 5m以下時(shí)，必須進(jìn)行全局平面化以保證光刻影像傳遞的精確度和分辨率，而CMP是目前幾乎唯一的可以提供全局平面化的技術(shù)。其中化學(xué)機(jī)械拋光漿料是關(guān)鍵因素之一。拋光磨料的種類、物理化學(xué)性質(zhì)、粒徑大小、顆粒分散度及穩(wěn)定性等均與拋光效果緊密相關(guān)。此外，拋光墊的屬性(如材料、平整度等)也極大地影響了化學(xué)機(jī)械拋光的效果.隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，2003年，全球CMP拋光漿料市場(chǎng)已發(fā)展至4.06億美元.但國(guó)際上CMP拋光漿料的制備基本屬于商業(yè)機(jī)密，不對(duì)外公布。1化學(xué)機(jī)械拋光作用機(jī)制

CMP作用機(jī)理目前還沒有完整的從微觀角度的理淪解釋。但從宏觀上來說，可以解釋如下:將旋轉(zhuǎn)的被拋光晶片壓在與其同方向旋轉(zhuǎn)的彈性拋光墊上，而拋光漿料在晶片與領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

底板之間連續(xù)流動(dòng)。上下盤高速反向運(yùn)轉(zhuǎn)，被拋光晶片表面的反應(yīng)產(chǎn)物被不斷地剝離，新拋光漿料補(bǔ)充進(jìn)來，反應(yīng)產(chǎn)物隨拋光漿料帶走。新裸露的品片平面又發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物再被剝離下來而循環(huán)往復(fù)，在襯底、磨粒和化學(xué)反應(yīng)劑的聯(lián)合作用下，形成超精表面，要獲得品質(zhì)好的拋光片，必須使拋光過程中的化學(xué)腐蝕作用與機(jī)械磨削作用達(dá)到一種平衡。如果化學(xué)腐蝕作用大于機(jī)械拋光作用，則會(huì)在拋光片表面產(chǎn)生腐蝕坑、桔皮狀波紋;反之，機(jī)械拋光作用大于化學(xué)腐蝕作用則表面產(chǎn)生高損傷層.為了進(jìn)一步了解CMP作用的本質(zhì)，近年來國(guó)內(nèi)外有很多關(guān)于CMP作用微觀機(jī)理的研究.清華人學(xué)王亮亮、路新春的研究表明:CMP中主要是低頻、大波長(zhǎng)的表面起伏被逐漸消除，而小尺度上的粗糙度并未得到顯著改善;當(dāng)顆粒直徑在10^-25 nm的范圍時(shí)，粒徑和粗糙度不存在單調(diào)的增減關(guān)系;桔皮的產(chǎn)生主要是拋光漿料中堿濃度過高所致。而北京交通大學(xué)張朝輝等根據(jù)Lei提出的CMP作用中納米流體薄膜理論，提出化學(xué)機(jī)械拋光過程中，受載的粗糙峰和被拋光的品片表面之間存在一納米量級(jí)的薄流體膜，形成了納米級(jí)薄膜流動(dòng)系統(tǒng)，指出對(duì)納米級(jí)流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究將有助r-了解化學(xué)機(jī)械拋光的作用機(jī)理，其中，在極薄的膜厚情況下的溫度場(chǎng)分析是一項(xiàng)迫切任務(wù)。同時(shí)，陳楊的研究也表明了相似的觀點(diǎn):材料的去除首先源于化學(xué)腐蝕作用。一方面，在拋光領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

過程中晶片表面局部接觸點(diǎn)產(chǎn)生高溫高壓，從而導(dǎo)致一系列復(fù)雜的摩擦化學(xué)反應(yīng);在拋光漿料中的堿性組分和納米磨料顆粒作用下，硅片表面形成腐蝕軟質(zhì)層，從而有效地減弱磨料對(duì)硅片基體的刻劃作用，提高拋光效率和拋光表面質(zhì)量。另一方面，根據(jù)Preston公式: N RR=QWNV(其中，NRR為材料去除率;QW為被拋光材料的密度;N為拋光有效磨料數(shù);V為單個(gè)磨料所去除材料的體積，包括被去除的硅叢體的體積V,和軟質(zhì)層的體積V2)，軟質(zhì)層的形成導(dǎo)致v增大(即化學(xué)腐蝕作用可促進(jìn)機(jī)械磨削作用)，V1減小，從而有利于減小切削深度、增強(qiáng)塑性磨削和提高拋光表面質(zhì)量。因此，在拋光漿料質(zhì)量濃度相同的條件下，采用納米磨料拋光不僅有利于減小切削深度、提高拋光表面質(zhì)量，同時(shí)由于有效磨料數(shù)N的急劇增大，還有利于提高拋光效率。應(yīng)該指出的是，軟質(zhì)層的厚度同拋光條件有關(guān)，就納米級(jí)磨料而言，相應(yīng)的軟質(zhì)層的厚度一般處于幾納米至十幾納米之間:而由于CMP是機(jī)械去除和化學(xué)去除相互作用的過程，因此難以通過靜態(tài)化學(xué)腐蝕測(cè)最軟質(zhì)層的硬度。忽略拋光墊和其它一些因素的影響，拋光漿料的流動(dòng)特性對(duì)CMP的行為有很大的影響。一般拋光漿料磨粒為圓形的納米級(jí)粒子，利用微極性流體可以模擬粒子的微旋運(yùn)動(dòng)對(duì)拋光性能的影響。張朝輝研究的模擬結(jié)果表明微極性將增加承載能力，從而有利于提高拋光速率。這一特性在低節(jié)距或低轉(zhuǎn)速下更為顯著，體現(xiàn)出尺寸依賴性。

領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

2化學(xué)機(jī)械拋光漿料

拋光漿料的成分主要由三部分組成:腐蝕介質(zhì)、成膜劑和助劑、納米磨料粒子。拋光漿料要滿足拋光速率快、拋光均一性好及拋后易清洗等要求.磨料粒子的硬度也不宜太高，以保證對(duì)膜層表面的機(jī)械損害比較輕。

按pH值分類，拋光漿料主要分為兩類:酸性拋光漿料和堿性拋光漿料。一般酸性拋光漿料都包含氧化劑、助氧化劑、抗蝕劑(又叫成膜劑)、均蝕劑、pH調(diào)制劑和磨料。氧化劑起在被拋光物件表面發(fā)生氧化腐蝕作用，然后通過機(jī)械作用去除表面凸起部分，使物件表面平整:另外，氧化劑還能氧化基體表面形成一層氧化膜從而提高選擇性。助氧化劑起到提高氧化速率的作用。均蝕劑可使腐蝕均勻，從而使表面光滑細(xì)膩;抗蝕劑的作用是在被拋光物件表面與被腐蝕基體形成一層聯(lián)結(jié)膜，從而阻止腐蝕的進(jìn)行以提高選擇性。而堿性拋光漿料中一般包含絡(luò)合劑、氧化劑、分散劑、pH調(diào)制劑和磨料。因?yàn)閴A性拋光漿料僅在強(qiáng)堿中才有很寬的腐蝕領(lǐng)域，而且磨料易造成劃傷，所以應(yīng)用遠(yuǎn)不如酸性拋光漿料廣泛。對(duì)于不同的腐蝕基體要選擇不同的絡(luò)合劑:分散劑一般為大分子量非離子有機(jī)分散劑，其作用是保證漿料中的磨料不發(fā)生絮凝和沉降現(xiàn)象，并使磨料的勤度保持盡可能低，具有良好的流動(dòng)性。下面主要介紹目前使用最為廣泛的幾種拋光漿料。

領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

2.1 CeO2拋光漿料

稀土氧化物CeO2具有很好的拋光性能，其特點(diǎn)是拋光速率高，對(duì)材料的去除率高，被拋光表面粗糙度和表面微觀波紋度較小，顆粒硬度低，對(duì)被拋光表面損傷較弱;其缺點(diǎn)是勃度大，易劃傷且高低選擇性不好，沉淀在介質(zhì)膜_L吸附嚴(yán)重，為后續(xù)清洗帶來困難.CeO2拋光漿料廣泛應(yīng)用于玻璃精密拋光、超大規(guī)模集成電路Sio2介質(zhì)層拋光和單晶硅片拋光等，而現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外有很多研究也致力于CeO2拋光漿料對(duì)半導(dǎo)體襯底材料(如GaAs晶片)的拋光。

首先納米CeO2粒子通過化學(xué)吸附與拋光表面上的Sio2之間形成Ce-O-Si鍵，CeO2粒子將表面部分Sio2撕裂下來，進(jìn)入溶液中;經(jīng)過擴(kuò)散，Sio2粒子又從CeO2粒子的表面脫落。Ce-O-Si鍵的形成與S-O-Si鍵的斷裂影響著拋光速率.化學(xué)吸附作用和機(jī)械撕裂作用同時(shí)影響著Si-O-Si鍵的斷裂。CeO2拋光漿料區(qū)別于傳統(tǒng)拋光活性強(qiáng)的拋光漿料都是強(qiáng)酸，它在堿性拋光環(huán)境下是兩性的，能同時(shí)吸附陽離子和陰離子，故有更好的拋光性能。鄉(xiāng)屯度、硬度、粒度、粒度分布、懸浮性、表面電性、表面活性和密度等都是影響其拋光性能的主要因素.粒度大的適合高速拋光，粒度小的適用于低速拋光圈.具有高拋光性能的納米CeO2目前的合成方法主要有:液相反應(yīng)法、固相反應(yīng)法、機(jī)械化學(xué)法。液相反應(yīng)法包括:溶領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

膠一凝膠法、液相沉淀法、電化學(xué)法、水熱法、微乳液法、噴霧熱分解法等。張鵬珍等采用溶膠一凝膠法制備了平均晶粒度在13.3 nm且粒度分布均勻的納米CeO2粉體，經(jīng)此CeO2拋光漿料拋光后的玻璃幕片表面粗糙度(Ra)可降到0.6nm左右，顯示了良好的拋光性能。Ming等(2a)也采用此法在常壓下制備納米CeO2,原料為硝酸飾錢、尿素和去離子水，通過加熱得到的CeO2粒徑為8 nm，具有立方體結(jié)構(gòu)。電化學(xué)法制得的CeO2優(yōu)點(diǎn)是粒子粒度很小，分散性也較好，工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，但是產(chǎn)率較低。水熱法的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行高溫灼燒處理，避免了硬團(tuán)聚。Verdon等在耐熔的合金容器中，于1.5 MPa和500%條件下進(jìn)行水熱合成制得的納米CeO2晶型較好。BondioliF等利用固相反應(yīng)在得到的CeO2產(chǎn)物尺寸為10-20 nm，且具有較好的尺寸分布.有研究表明，用機(jī)械化學(xué)法也能制成粒度在10-20nm的納米CeO2.Rajendran(291通過一種新的方法研究了CeO2拋光Si仇過程，發(fā)現(xiàn)CeO2的機(jī)械作用能加速其與Siq還原的化學(xué)反應(yīng)，并且在拋光過程中存在Cc 3+與Ce0+兩種價(jià)態(tài)。

2.2 Si02拋光漿料

Si仇拋光料的優(yōu)點(diǎn)是選擇性和分散性好，機(jī)械磨損性能較好，化學(xué)性質(zhì)較活潑，后清洗過程廢液處理較容易，其缺點(diǎn)是硬度較高，易在被拋光物體表面造成不平整，且在拋光領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

漿料中易產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，對(duì)拋光速度的再現(xiàn)性有不良影響，同時(shí)會(huì)使被拋光物體表面產(chǎn)生刮傷。SiO2拋光漿料的pH值、磨料粒徑(50-200 nm)與分散度、濃度等都對(duì)其拋光效果有很大的影響。Si02拋光漿料用于硅片的拋光、層間介電層OLD)的拋光、妮酸鉀晶片的拋光、硬盤基片的拋光等。Siq拋光料的制備方法國(guó)內(nèi)外有很多研究，從總體來說主要是分散法與凝聚法:分散法是通過機(jī)械攪拌將納米Si仇粉末直接分散到水中來制備Si02漿料的。用分散法制備Si02漿料主要包括以下3個(gè)過程:①納米Si02穎粒在液體中潤(rùn)濕:②團(tuán)聚體在機(jī)械攪拌力作用下被打開成獨(dú)立的原生粒子或較小的團(tuán)聚體;③將原生粒子或較小的團(tuán)聚體穩(wěn)定住，阻止再發(fā)生團(tuán)聚。采用分散法制備出的Si仇漿料濃度高、顆粒均勻、分散性好、純度高、黏度較小，但受粉體本身性能的影響特別嚴(yán)重。凝聚法是利用水溶液中化學(xué)反應(yīng)所生成的SiO2通過成核、生長(zhǎng)，采用各種方法脫除其中雜質(zhì)離子得到納米Sio2水分散體系的一種方法，該法制得的Sio2漿料穎粒粒徑均一，形狀規(guī)整，純度與濃度也較高.王占銀以SiO2作為拋光漿料，分析了影響妮酸鏗晶片拋光效果的因素，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，使妮酸銼的表面粗糙度凡達(dá)到0.387 nmo雷紅制備了Sio2拋光漿料用來拋光鎳磷敷鍍的硬盤基片，表面形貌儀測(cè)得拋光后基片的表面粗糙度和波紋度分別為0.052 nm和0.063 nm,且基片表面無凹坑、電蝕等缺陷。另有研究領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

表明[301當(dāng)Si02拋光漿料pH->9時(shí)，在拋光漿料中加入適量的活性劑和鰲合劑，能消除Si02凝膠現(xiàn)象，得到較好的拋光結(jié)果。目前，對(duì)影響Si02拋光漿料拋光效果〔高拋光速率、低表面損傷、高表面平整度、易清洗等)的各種因素(拋光漿料粒度、pH值、溫度、拋光漿料流速等)的研究己比較成熟.2.3 A1203拋光漿料

1998年日本COSMOS公司首次開發(fā)了納米級(jí)別的超細(xì)A1203微粉作磨料的納米級(jí)拋光劑，從而Al2o3拋光漿料廣泛應(yīng)用于CMP領(lǐng)域，以納米Y-AI203為研磨粒子的漿料可用于集成電路生產(chǎn)過程中層間鎢、鋁、銅等金屬薄膜的平坦化及高級(jí)光學(xué)玻璃、石英品體和各種寶石的拋光等.A12o3場(chǎng)拋光漿料因具有選擇性低、分散穩(wěn)定性不好、易團(tuán)聚等缺點(diǎn)，往往在幾分鐘內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)沉淀，顆粒變粗，所以在拋光中表面劃傷嚴(yán)重，損傷層深，所以通常A1203拋光漿料要混合有機(jī)添加物一起使用并控制好工藝條件以達(dá)到良好的拋光效果。宋曉嵐等的研究表明，在y-A12偽固含量為6%的漿料中，加入異丙醉胺分散劑的用量為-y-A1203粉體質(zhì)量的1%，同時(shí)控制漿料的pH值約為4，此時(shí)納米y-A12場(chǎng)粉末的潤(rùn)濕性能最佳，漿料Zeta電位值較高，勃度較小，在該條件下可成功獲得長(zhǎng)時(shí)間不沉降的穩(wěn)定漿料。盧海參采用丙烯酞氯對(duì)超細(xì)氧化鋁進(jìn)行表面改性，有效提高了氧化鋁拋光漿料的分領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

散性，進(jìn)一步的研究表明材料去除速率隨壓力或下盤轉(zhuǎn)速先增大后減小，隨拋光時(shí)的延長(zhǎng)，材料去除速率初期較人，后期變化趨于平緩。具有良好的抗靜電性和可擦性的A1203拋光漿料在國(guó)內(nèi)已經(jīng)研制出來，應(yīng)用于磁性材料的精密拋光加工中。有研究表明,通過A1203外層包覆Si02形成殼一核性結(jié)構(gòu)粒子拋光漿料拋光能很好地提高拋光性能，減低表面損傷和粗糙度，其機(jī)理可能為殼一核結(jié)構(gòu)的緩沖效應(yīng)和粒子之間的解聚作用。

3化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)作為其基礎(chǔ)的集成電路的性能要求愈來愈高。集成電路芯片增大而單晶體管元件減小及多層集成電路芯片是發(fā)展的必然趨勢(shì)，使得CMP在集成電路行業(yè)的重要性越來越顯著，這對(duì)CMP技術(shù)提出了更高的要求。

在CMP設(shè)備方面，正在由單頭、雙頭拋光機(jī)向多頭拋光機(jī)發(fā)展;結(jié)構(gòu)逐步由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)向軌道拋光方法和線形拋光技術(shù)方面發(fā)展;開發(fā)帶有多種在線檢測(cè)裝置的設(shè)備，如組裝聲學(xué)信號(hào)、力學(xué)信號(hào)、薄膜厚度及拋光漿料性質(zhì)等在線測(cè)量裝置，并且結(jié)合目前的干進(jìn)干出要求，將拋光后清洗裝置與拋光機(jī)集成來進(jìn)行開發(fā)。在應(yīng)用方面，CMP技術(shù)已從集成電路的硅品片、層間介質(zhì)(ILD)、絕緣體、導(dǎo)體、鑲嵌金屬W.AI.Cu.Au及多晶硅、硅氧化物溝道等的平面化，拓展至領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

薄膜存貯磁盤、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MFMS)、陶瓷、磁頭、機(jī)械磨具、精密閥門、光學(xué)玻璃和金屬材料等表面加工領(lǐng)域。在CMP拋光漿料方面，關(guān)鍵是要開發(fā)新型拋光漿料，特別是復(fù)合磨料拋光漿料，使其能提供高的拋光速率、好的平整度、高的選擇性以及利于后續(xù)清洗過程，以使磨料粒子不會(huì)殘留在芯片表面而影響集成電路性能。

CMP漿料有待于發(fā)展的技術(shù)有:磨料制各技術(shù)、漿料分散技術(shù)和拋光漿料配方技術(shù)。首先要解決的就是尺寸小、分散度大、硬度適中、均勻性好、純度高的納米磨料粒子。拋光漿料的排放及后處理工作最也在增大(出于環(huán)保原因，即使?jié){料不再重復(fù)利用，也必須先處理才可以排放)。而且，拋光漿料價(jià)格昂貴，如何對(duì)拋光漿料進(jìn)行后處理，補(bǔ)充必要的化學(xué)添加劑，重復(fù)利用其中的有效成分，或降級(jí)使川，不僅可以減少環(huán)境污染，而且可以大大降低加工成本。拋光漿料的后處理研究將是未來的新研究熱點(diǎn)。另外一方面，復(fù)合磨料拋光漿料的研究也將是未來的趨勢(shì)之一，因?yàn)閺?fù)合磨料拋光漿料在保持單一磨料拋光漿料優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也改善了其缺點(diǎn)，在國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了復(fù)合拋光磨料的研究報(bào)道，如A1203, Si02, CeO2各種單一拋光磨料互相通過包覆形成殼一核型的復(fù)合拋光磨料，集中各種單一拋光磨料的優(yōu)點(diǎn)，從而配制出拋光效果更佳的新型復(fù)合拋光漿料。實(shí)驗(yàn)表明，在較軟的磨料粒子外面包覆一層較硬的物質(zhì)，可以在提高其拋光速率的同時(shí)領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

也保持了較高的選擇性;而在較硬的磨料粒子外面包覆一層較軟的物質(zhì)，則可在保持其較高拋光速率的基礎(chǔ)上改善其拋光表面質(zhì)量。如Lu等成功地在球形SiO2粒子外面包覆一層Ce02，并以其作為磨料制備復(fù)合拋光漿料與Sio2和Ce02拋光漿料進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)的比較，研究表明，復(fù)合磨料具有更好的拋光效果。目前，CMP技術(shù)己經(jīng)不局限于使用固體磨料，甚至出現(xiàn)了用氣體來進(jìn)行拋光的技術(shù)(如HVPE技術(shù)等)，為拋光漿料的發(fā)展開拓了新的思路。

近年來，CMP技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，涌現(xiàn)出了不少新技術(shù)，例如:固結(jié)磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、電化學(xué)機(jī)械平坦化技術(shù)、無磨料化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)、無應(yīng)力拋光技術(shù)、接觸平坦化技術(shù)和等離子輔助化學(xué)蝕刻平坦化技術(shù)等。

盡管CMP技術(shù)發(fā)展的速度很快，但目前對(duì)CMP技術(shù)的了解還處于定性的階段，需要解決的理論及技術(shù)問題還很多。如人們對(duì)諸如拋光參數(shù)(如壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等)對(duì)平面度的影響、拋光墊一漿料一片子之間的相互作用、漿料化學(xué)性質(zhì)(如組成、pH值、顆粒度等)對(duì)各種CMP參數(shù)的影響及其機(jī)理了解仍然甚少，因而定量確定最佳CMP工藝、系統(tǒng)地研究CMP工藝過程參數(shù)、建立完善的CMP理論模型、滿足各種超大型集成電路生產(chǎn)對(duì)CMP工藝的不同要求，是研究CMP技術(shù)的重大課題。由于缺乏有效的在線終點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，維持穩(wěn)定的、一次通過性的生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程還存在困難，因而迫切需要開發(fā)領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

實(shí)用的在線檢測(cè)手段。一般在芯片工藝的最后幾個(gè)階段也需進(jìn)行CMP加工，此時(shí)每個(gè)芯片的價(jià)值已達(dá)到數(shù)千至數(shù)十萬美元，因而，芯片表面殘留漿料的清除是CMP后清洗的主要課題。研制合適的CMP工藝、拋光設(shè)備及漿料以使去除速度高而穩(wěn)定、片子的模內(nèi)均勻性和片內(nèi)均勻性都理想，且產(chǎn)生的表面缺陷少，是CMP技術(shù)發(fā)展的主要難題。4結(jié)語

綜上所述，CMP技術(shù)可用于各種高性能和特殊用途的集成電路制造，且應(yīng)用領(lǐng)域口益擴(kuò)展，已成為最為重要的超精細(xì)表面全局平面化技術(shù)，也是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵技術(shù)，其增長(zhǎng)勢(shì)頭和發(fā)展前景非?？捎^。深入研究和開發(fā)CMP技術(shù)，并形成擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料和工藝，將促進(jìn)我國(guó)IC產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展，提高我國(guó)在這一方面的國(guó)際地位，同時(shí)也將帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

領(lǐng)升：拋光機(jī) http://004km.cn

第五篇：超聲成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

超聲成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用引言

超聲成像以其使用安全、成像速度快、價(jià)格便宜和使用方便等優(yōu)勢(shì)在臨床診斷中被大量使用，是臨床診斷的重要工具之一[1]。隨著超聲在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的廣泛而深入的應(yīng)用，以及微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和探頭技術(shù)等工程技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了超聲診斷技術(shù)不斷發(fā)展。不僅儀器的圖像質(zhì)量明顯提高，而且診斷的模式和方法也更加豐富。國(guó)內(nèi)外很多研究人員從事著超聲的研究，使超聲技術(shù)從模擬技術(shù)擴(kuò)展到數(shù)字技術(shù)，即數(shù)字聲束形成技術(shù)[2]；從低幀率成像擴(kuò)展到高幀率成像[3]；從二維成像擴(kuò)展到三維成像[4]；從線性技術(shù)擴(kuò)展到非線性技術(shù)[5]，以適應(yīng)臨床不同的需求。本文著重對(duì)多普勒血流成像、三維成像技術(shù)和諧波成像技術(shù)作一下介紹，并對(duì)各自在臨床方面的應(yīng)用進(jìn)行概括。超聲多普勒成像技術(shù)

超聲多普勒技術(shù)主要應(yīng)用于心臟和血管疾病的診斷。它是無損診斷血管疾病的一種重要手段，對(duì)超聲多普勒血流信號(hào)的分析處理可以為疾病診斷提供重要依據(jù)[6]。當(dāng)超聲源與人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收到的回波信號(hào)將產(chǎn)生多普勒頻移,由此確定其運(yùn)動(dòng)速度大小、方向以及在斷層上的分布。

2.1多普勒成像技術(shù)簡(jiǎn)介

目前應(yīng)用于臨床的有一維連續(xù)多普勒、一維脈沖多普勒、彩色多普勒、能量多普勒和多普勒組織成像[7]。下面就多普勒組織成像技術(shù)及其應(yīng)用做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

多普勒組織成像技術(shù)[7]是將低速高振幅的心肌運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行彩色編碼顯示心臟運(yùn)動(dòng)信息的圖像診斷技術(shù)。該技術(shù)能夠直觀的觀察心動(dòng)周期內(nèi)各時(shí)相的室壁運(yùn)動(dòng)方向，并定量分析心臟各節(jié)段的室壁運(yùn)動(dòng)速度。與傳統(tǒng)超聲目測(cè)分析室壁運(yùn)動(dòng)相比，能夠更為客觀地評(píng)價(jià)心臟的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。但多普勒組織成像無法克服多普勒聲束與室壁運(yùn)動(dòng)方向夾角所產(chǎn)生的影響[8]。

2.2 超聲多普勒成像技術(shù)應(yīng)用

關(guān)于超聲多普勒成像技術(shù)的臨床應(yīng)用的報(bào)道有很多。學(xué)者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)二維及

彩色多普勒超聲對(duì)甲狀腺良惡性腫瘤的鑒別有一定的診斷價(jià)值[9]。李斌采用彩色多普勒超聲對(duì)子宮頸部肌瘤的聲像圖特征及其相應(yīng)的生理、病理學(xué)基礎(chǔ)作了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析，得出彩色多普勒超聲對(duì)子宮頸部肌瘤有很高的診斷價(jià)值[10]。也有人針對(duì)彩色多普勒超聲和多層螺旋CT兩種檢查方式進(jìn)行比較[11]。另外，超聲多普勒成像技術(shù)也可用于心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維圖像[12]。三維超聲成像技術(shù)

三維超聲成像的概念最初由Baun和Greewood在1961年提出[13]。他們?cè)诓杉幌盗衅叫械娜梭w器官二維超聲截面的基礎(chǔ)上，用疊加的方式得到了器官的三維圖像。在這之后，很多人進(jìn)行了這方面的研究工作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，三維超聲成像取得了明顯的進(jìn)展，一些實(shí)用的系統(tǒng)開始進(jìn)入臨床應(yīng)用。

3.1 三維超聲成像技術(shù)原理簡(jiǎn)介

三維超聲成像技術(shù)包括數(shù)據(jù)獲取、三維圖像重建和三維圖像的顯示[14]。三維超聲成像是在采集二維圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行重建而成。

要獲得理想而準(zhǔn)確的三維圖像，需要清楚地了解二維圖像的位置及角度，還需盡快掃查以避免運(yùn)動(dòng)偽像。常用機(jī)械驅(qū)動(dòng)掃查、自由掃查、一體化容積探頭掃查等方式獲取[15]。

獲取二維圖像數(shù)據(jù)后，便可形成三維立體數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)選擇一個(gè)參考切面對(duì)三維立體數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行任意方向的切割和觀察時(shí)，即可完成對(duì)感興趣結(jié)構(gòu)的三維重建與顯示。常用的重建方法為[15]：基于特征的三維圖像重構(gòu)法、基于體素的三維圖像重構(gòu)方法。顯示方式有：斷面成像、表面成像、透明成像。

3.2 三維超聲成像的優(yōu)缺點(diǎn)

與傳統(tǒng)二維超聲成像相比，三維超聲成像具有明顯的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[16]：直接顯示臟器的三維解剖結(jié)構(gòu)；可對(duì)三維成像的結(jié)果進(jìn)行重新斷層分層，從而能從傳統(tǒng)成像方式無法實(shí)現(xiàn)的角度進(jìn)行觀察；可對(duì)生理參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量，對(duì)病變位置精確定位。

無可厚非，三維超聲成像還存在不足之處[16]。主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：(1)成像速度慢；(2)空間分辨力低；(3)成像效果未達(dá)到臨床診斷要求。

3.3 三維成像的應(yīng)用

三維超聲在產(chǎn)科領(lǐng)域的應(yīng)用較早，技術(shù)也較成熟[14]。不僅可以對(duì)胎兒體表結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面成像，還可利用透明成像對(duì)胎兒體內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，從而對(duì)胎兒整體形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。在心血管疾病診斷中，可用于多種心臟疾病以及血管內(nèi)疾病的檢查。隨著實(shí)時(shí)三維超聲成像的研究成功，三維超聲有望在心臟疾病檢查中發(fā)揮更大的作用。另外，三維成像對(duì)慢性膀胱炎癥、憩室、結(jié)石、凝血塊等膀胱疾病的診斷，也顯示出優(yōu)越性[14]。當(dāng)然，它的臨床應(yīng)用還有很多，如在肝臟疾病、腎臟疾病以及眼科疾病等方面的治療中也取得不錯(cuò)的成效[17]，再次不一一列舉。諧波成像技術(shù)

在諧波成像應(yīng)用于臨床之前，所有超聲成像系統(tǒng)都是按照線性超聲來設(shè)計(jì)的。非線性聲學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)表明，有限振幅聲波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)，因此可以利用人體組織產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行成像[18]。當(dāng)前應(yīng)用較廣的有造影諧波成像，組織諧波成像等。具有諧波成像和Doppler血流成像功能成為高端超聲成像儀的主要標(biāo)志。

4.1 組織諧波成像和造影諧波成像

臨床上，由于肥胖、胃腸氣體干擾、腹壁較厚或疾病等原因，約有20%-30%此類的病人被稱為超聲顯像困難病人[18]。對(duì)于此類病人需要較低頻率的超聲檢查以增加穿透力從而得到進(jìn)一步的診斷研究，組織諧波成像便能解決此問題。

組織諧波成像是利用超聲傳播過程中由人體組織自身產(chǎn)生的高次諧波進(jìn)行成像[19]。組織諧波成像和造影諧波成像都是通過提取回波信號(hào)中的高次諧波分量進(jìn)行成像，但高次諧波產(chǎn)生的物理原理卻不相同。造影諧波成像的原理如下

[20]：超聲造影劑內(nèi)存在大量的微氣泡，若通過靜脈注射造影劑，由于造影劑中的微氣泡與周圍血液的聲阻抗差異較大，增強(qiáng)了超聲束的后向散射信號(hào)，從而提高超聲圖像的對(duì)比度，改善圖像質(zhì)量。這種利用造影劑反射回波的二次諧波成像的方式稱為造影劑諧波成像。

4.3 諧波成像應(yīng)用

目前諧波成像技術(shù)在心臟和腹部疾病超聲圖像診斷方面的應(yīng)用較為廣泛。但諧波成像發(fā)射頻率較低，接受頻率較高，使得靶區(qū)圖像分辨力降低。因此，此項(xiàng)技術(shù)尚處在初級(jí)應(yīng)用階段。國(guó)內(nèi)對(duì)組織諧波成像研究?jī)H限于臨床應(yīng)用研究，尚缺

少對(duì)該項(xiàng)技術(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)方面的深入研究。國(guó)外已經(jīng)開展了組織諧波成像模型的理論研究，取得了一些成果。比如Yadong Li研究了用于產(chǎn)生諧波B型超聲圖像的計(jì)算模型[21]。組織諧波成像已經(jīng)被證實(shí)具有較好的影像解析度，它比基波圖像有著更好的對(duì)比，造影劑二次諧波成像可以增強(qiáng)造影劑與周圍組織的對(duì)比度，使成像更為清晰。展望

從早期超聲診斷技術(shù)到目前的超聲多普勒成像技術(shù)、三維成像技術(shù)和諧波成像技術(shù)的發(fā)展歷程來看，超聲圖像診斷技術(shù)的發(fā)展目的是為了提高圖像質(zhì)量，準(zhǔn)確反映疾病信息。超聲成像技術(shù)在過去、現(xiàn)在和將來都是醫(yī)學(xué)影像研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。隨著技術(shù)的發(fā)展、研究的深入，相信將會(huì)有更多新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)用于超聲成像中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王艷丹, 高上凱.超聲成像新技術(shù)及其臨床應(yīng)用[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2006，25(5):553-556.[2] 伍于添.超聲診斷方法和設(shè)備的前沿技術(shù)[J].中國(guó)超聲醫(yī)學(xué)雜志，2004，20(6):470-475.[3] 彭虎，韓雪梅，杜宏偉.高幀率超聲成像系統(tǒng)中一種高信噪比扇形成像模式的實(shí)現(xiàn)[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2006，23(1):25-29.[4] B.SEDGMEN, C.McMAHON.The impact of two-dimensional versus three-dimensional ultrasound exposure on maternal–fetal attachment and maternal health behavior in pregnancy[J].Ultrasound Obstet Gynecol, 2006(27): 245–251.[5] 杜宏偉，彭虎等.吸收媒質(zhì)中非線性gauss聚焦超聲場(chǎng)的仿真研究[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,37(9):1120-1124.[6] 張良筱，張涇周，馬穎穎.超聲多普勒血流信號(hào)的分析方法.北京生物醫(yī)學(xué)工程，2007，26(5):548-551.[7] 吳立順, 管喜歧.超聲圖像診斷技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2007, 28(12):35-36.[8] 余薇, 胡佑倫.醫(yī)學(xué)超聲成像方法學(xué)進(jìn)展[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2001，20（3）：225-228.[9] 米和偉，顏社平.彩色多普勒超聲對(duì)甲狀腺良惡性腫瘤的鑒別診斷[J].現(xiàn)代醫(yī)用影像學(xué), 2008, 17(4):211-212.[10] 李斌.彩色多普勒超聲診斷子宮頸部肌瘤的價(jià)值[].現(xiàn)代醫(yī)用影像學(xué), 2008，17(4):187-189.[11] 蘭莉，許方洪.彩色多普勒超聲與多層螺旋CT成像對(duì)下肢深靜脈血栓診斷的對(duì)比研究

[J].溫州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 38(5):432-434.[12] 何愛軍，鄭昌瓊，汪天富.組織多普勒超聲心臟圖像的動(dòng)態(tài)三維重建[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2005，22(3):570-574.[13] 郝曉輝，高上凱.三維超聲成像的發(fā)展現(xiàn)狀及若干關(guān)鍵技術(shù)分析[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志, 1998, 15(8):311-316.[14] 王建紅.三維超聲成像的臨床應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].醫(yī)學(xué)影像雜志，2004，14(10):858-860.[15] 黃志遠(yuǎn).三維超聲成像的新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2006, 19(10):5-8.[16] 刑晉放，曹鐵生，杜聯(lián)芳.三維超聲成像研究概述[J].中華超聲影像學(xué)雜志，2005，14(8):629-631.[17] 孫彥.三維超聲成像診斷肝臟疾病的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2005，13(1):55-57.[18] 劉貴棟，沈毅，王艷等.醫(yī)學(xué)超聲諧波成像技術(shù)研究進(jìn)展[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,36(5):600-602.[19] 劉貴棟，沈毅等.基于編碼脈沖技術(shù)的醫(yī)學(xué)超聲組織諧波抑制[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2007,27(6):444-446.[20] Pompili M, Riccardi L.Contrast-enhanced gray-scale harmonic ultrasound in the efficacy assessment of ablation treatments for hepatocellular carcinoma[J].Liver International, 2005(25): 954-961.[21] YaDong Li.Computer model for harmonic ultrasound imaging[J].IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,2000,47(5):1259-1272.