印刷微电子

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在编写驱动程序之前我们必须了解微电子印刷的打印机的相关功能及其特性。印刷微电子打印机采用的是喷墨打印的方法通过在承印物上印刷上要打印的电路。微电子印刷中的电路元器件如寄存器、电容、放大器等都是通过采用印刷的方式进行的这有别于传统的圆晶硅工艺。

传统的圆晶硅通过制成版图利用昂贵的设备进行光刻腐蚀等。因为采用的是在单晶硅上进行，其整套过程也分为多个步骤具体如图3.11所示。

               图 3.11 单晶硅的工艺流程

而与印刷类似的PCB工艺虽然是针对导线的印刷，但是这个与印刷微电子有着莫大的关系，下图是其的具体流程如图3.12所示。

                 图3.12  PCB工艺流程图

而在印刷微电子的流程过程如图3.13所示，相较于PCB的工艺流程少了一系列的步骤。这也是印刷微电子为什么在成本上要比较低的原因。

                   图3.13 印刷微电子的工艺流程图

传统的电路设计软件如：Altium Design和Quartus II 11.0等电路设计软件的相关过程如图3.14所示：

      图3.14 传统电路设计软件的架构

印刷微电子的电路设计软件和传统的电路设计软件的大部分内容是类似的。编译和检错一般是指前仿真阶段（电路功能的仿真，包括功耗，电流，电压，温度，压摆幅，输入输出特性等参数的仿真），而二者最大的差别是在于综合部分。传统的电路设计软件的综合是版图设计，即把根据电路设计版图，再到最后流片生产出真实的产品。在最近比较流行的FPGA中采用的是把电子网表的信息烧结到相关的存储的元件中从而使FPGA版实现所设计的电路功能。但是这和印刷微电子所要求的综合是和迥异的。在印刷微电子中，我们采用的是喷墨打印的方式，打印机通过对计算机传过来的位图进行分析，在承印物精确的定位打印出适应的电路。在论文中我们未考证打印出的电路元件的电元件的偏差，因为采用的是油墨在承印物采用喷墨的方式得出电元件，由于油墨一般都要添加适当的添加剂才会得到印刷适性，但这毫无疑问会影响电路的稳定性。

由于元器件的复杂性除了导线和电阻能用一种功能性材料完成，剩余的如CMOS门等都不可能只是通过一种功能性材料印刷所得，且如果只是一次印刷那么所得到电路也仅仅只是一层而已。所以必须对电路图进行优化和分层。对简单的如连接五个元器件的相关连线或是不能在同一个平面展示，如元器件若连线为图3.15所示，则对元器件2和元器件4的连线是不能同处于一个平面上的。对元器件连线问题即是图论中的最大连通子图及一般图的厚度问题。一般图的最小厚度问题至今仍然无解，但是我们可以通过算法的计算而能使用尽量少的层面将电路图的连线打印出来。所以此时软件必须对电路图进行分层。而且得对交叉点利用绝缘体进行隔离。

 

图 3.15 元器件连接图

在印刷微电子中不仅需要对电路的连线需要进行分层次印刷，对于电子元器件也进行分类。因为不同的电子元件采用的是不同的喷头和不同的功能性材料组成的。对元器件进行分层之后便利于采用流水线作业，能节省电路的印刷时间。这样只要精确的传达元器件在承印物上的位置所在，通过打印机上的ROM中对元器件的印刷流程的提取在相应位置印刷相应大小的图形。以一个简单的异步电平电路研究其分层的原理流程：

             图3.16 简单的电路分层

其中图3.16的异步电路所示其主要的功能是采用与非门设计的一个单脉冲发生器，其中两个输入端中一个是脉冲源输入，而另外则是手动控制的输入脉冲，通过手动的输入对原脉冲 源进行整形。而在该电路设计图中总共有非门和与非门还有导线三种元器件组成。在印刷微电子当中每个喷头可能只能进行一种元器件的印刷。所以必须对电路设计图进行分层处理，使得那么这样传递给每个喷头的是该喷头能够打印的信息。在图3.3.6中对电路设计文件A分层为与非门文件B、非门文件C、导线文件D。但是对于D导线文件由于存在交叉点不是一次印刷就能够完成的，所以必须在对D导线文件在进行分层得到导线文件E和导线文件F，在印刷电路进行按E进行印刷之后必须采用绝缘体的材料对E文件进行覆盖从而使印刷导线F时候不会和E中的文件进行交叉。

                               图 3.17 基本元器件的版图

采用ＲＯＭ记录要打印的流程有一个巨大的缺陷就是不能针对基础元器件进行优化，而传统的微电子可以继续在版图上上进行优化，所以可以在很小的面积上刻蚀上最多的电路。所以本论文中的主要是针对低速的微电子电路进行设计。但是如果印刷微电子电路设计软件给打印机提供的是打印版图，那我们就可以进行精细高速的印刷电路的设计。但是目前由于喷墨打印的精度还处于微米级别，所以在本论文中我们就不会采用简单的ＲＯＭ来实现电路设计流程。在第四章会深入了解此种印刷微电子打印机的不足和缺陷。

经过上述的对比及对部分元器件的分析，做出下示印刷微电子软件的数据流图

    具体的印刷微电子软件的数据流程图见下图3.18

                 图 3.18 印刷微电子的数据流程图

针对流程图我们可以对软件进行一个剖析。电路设计人员通过调用电路元器件的库的相应元件，同样电路设计人员也可以设计相应电路存储为电路元件库中。电路中的综合器通过检测输入的电路图，判断是否有逻辑错误。并将编译信息提供给系统。在系统确认无误的情况下电路的分层器会对通过的电路进行分层最后通过驱动程序将分层的信息传给系统。印刷电路软件的主要构成部分如图3.19所示。

                                 图3.19 印刷电路软件的结构图

通过对印刷微电子从设备和印刷微电子软件的研究，可以帮助了解在驱动程序设计过程中我们应该给打印机传递什么数据。并且打印机应该向印刷微电子软件返回什么数据，以便我们更好的跟踪打印机的一系列工作等。