張 楠，王敏銳

（1.蘇州大學，蘇州 215123；2.中科院蘇州納米所，蘇州 215125）

0 引言

在開展973課題“基于納米結(jié)構(gòu)的寬光譜高效太陽能電池關(guān)鍵科學問題研究”、“低維等離子體系統(tǒng)的量子調(diào)制及應用研究”和江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項目“第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵材料-氮化稼（GaN）晶片開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”過程中涉及大量的微納米結(jié)構(gòu)和器件的加工工藝研究，這些項目的工藝研究之間存在大量的共有工藝技術(shù)。然而，由于沒有統(tǒng)一的加工工藝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，大量數(shù)據(jù)存儲分散，并且信息不完整。各課題組之間存在信息交流不暢的現(xiàn)象，致使經(jīng)常出現(xiàn)已有的通用加工工藝進行沒必要的重復研究開發(fā)的工作，而加工工藝研究往往是項目研究中最費時費力和花費最大環(huán)節(jié)，造成研究時間和研究經(jīng)費的極大浪費，降低研究效率。另外，還存在實驗結(jié)果和原始數(shù)據(jù)無法對應，每一組重要的實驗數(shù)據(jù)，都可能分析得到或驗證一些現(xiàn)象和成果。但是隨著時間的推移，后來人很難從某個實驗文件中，看出其中得到了什么樣的結(jié)論。對管理者而言，不能從全局和總體上把握各個小組或?qū)嶒灥倪M度，只能通過匯報，開會才能進行交流。紙質(zhì)實驗記錄已很難滿足當前科研的發(fā)展為此，極需建設(shè)一個好的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，在上述背景下，本系統(tǒng)采用當今Web開發(fā)的先進技術(shù)，形成直觀的數(shù)據(jù)庫管理功能，研究設(shè)計一套應用性強的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標

系統(tǒng)建設(shè)統(tǒng)一的微納結(jié)構(gòu)和器件的加工工藝專題數(shù)據(jù)庫，包括原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)整合集成數(shù)據(jù)庫、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、典型問題數(shù)據(jù)庫、異常信息數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)對微納米器件加工工藝原始數(shù)據(jù)的有效收集、整理和提煉形成一批共有加工技術(shù)工藝，方便加工工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)查詢，方便項目相關(guān)人員匯總總結(jié)實驗結(jié)果，安排開展進一步的研究工作；實現(xiàn)加工工藝共享，避免各課題間共性工藝的重復開發(fā)；積累足夠的微納加工工藝原始數(shù)據(jù)和共性工藝技術(shù)，依據(jù)這些積累，開發(fā)工藝模擬模型和圖形化應用環(huán)境，并實現(xiàn)器件設(shè)計模擬和工藝模擬之間相互關(guān)聯(lián)，為開展微納結(jié)構(gòu)與器件的研究提供加工工藝參考和工藝模擬，減少費時費錢的通用微納加工工藝的重復研究，加快研究進程，達到降低研究成本和提高研究效率的作用。

2 系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 建設(shè)原則及建設(shè)思路

2.1.1 數(shù)據(jù)互利共享原則

一方面，加工工藝是各科研人員在長期的研發(fā)過程中投入大量精力和費用獲得的成果，只有依據(jù)“誰參與建設(shè)誰受益”的數(shù)據(jù)互利共享原則，數(shù)據(jù)庫的原始數(shù)據(jù)采集才能盡量精確完整；另一方面，加工工藝數(shù)據(jù)庫建設(shè)是一個需要長期資金投入的工作，如果不能最終走向產(chǎn)業(yè)化，數(shù)據(jù)庫建設(shè)將無法持續(xù)進行，只有采取數(shù)據(jù)互利共享原則才能保證數(shù)據(jù)庫的持續(xù)建設(shè)。

2.1.2 專業(yè)通用性原則

微納加工工藝數(shù)據(jù)庫主要針對微納米結(jié)構(gòu)和器件的制備研究領(lǐng)域，加工工藝作為微納米技術(shù)研究的核心部分之一，對微納米技術(shù)的研究進程具有重要影響。由于不同的微納結(jié)構(gòu)和器件才有不同的加工路線，這決定了微納加工工藝具有很強的專業(yè)性特性，但是在這些工藝經(jīng)過整理集成可以形成更進一步的共性加工工藝，方便后來研究者的微納結(jié)構(gòu)和工藝的研究開發(fā)，這又決定了微納加工工藝數(shù)據(jù)庫具有通用性。

2.1.3 以數(shù)據(jù)為中心、關(guān)聯(lián)同步的原則

在開展微納米技術(shù)研究中，微納結(jié)構(gòu)和微納器件的制備過程是多變的，但是制備過程中的單步工藝往往是相對穩(wěn)定的。為此，工藝數(shù)據(jù)庫的建立要遵循以單步工藝數(shù)據(jù)為中心的原則，對各種信息的數(shù)據(jù)進行整合和集約化處理，建立同步動態(tài)關(guān)聯(lián)模型，實現(xiàn)有效的工藝數(shù)據(jù)管理，提煉和抽象出相對穩(wěn)定的共性工藝模型。

2.1.4 標準先行原則

標準化是打破數(shù)據(jù)信息技術(shù)壁壘和數(shù)據(jù)隔閡的基本前提。只有在數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡建設(shè)、系統(tǒng)集成、信息采集等方面充分考慮標準化才能更好的實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)庫在中科院研究所間的集成共享。

2.1.5 講求實效、安全保密原則

工藝數(shù)據(jù)庫建設(shè)首先要從實際出發(fā)，服務于目前開展的973重大研究計劃的研究工作，提供研究效率和降低研究成本。同時要制定、執(zhí)行嚴格的安全保密措施，防止網(wǎng)絡攻擊、突發(fā)性數(shù)據(jù)災難、病毒侵害、數(shù)據(jù)泄密等。

2.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用三層體系架構(gòu)，分為表示層、業(yè)務層和數(shù)據(jù)層。用JSP,Servlet,EJB和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)，有效地幫助專題數(shù)據(jù)庫的管理和對外開放的功能。業(yè)其中，業(yè)務層是本系統(tǒng)的核心部分：主要包括科研信息管理業(yè)務組件、加工工藝管理業(yè)務組件、工藝整合模擬業(yè)務組件。

2.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫擬采用SQL Server 2005，實現(xiàn)微納加工平臺工藝專題數(shù)據(jù)庫的開發(fā)及應用。數(shù)據(jù)庫字段設(shè)計如表1所例。數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。

表1 工藝基本信息表table_process

圖1 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程圖

針對973課題“基于納米結(jié)構(gòu)的寬光譜高效太陽能電池關(guān)鍵科學問題研究”、“低維等離子體系統(tǒng)的量子調(diào)制及應用研究”和江蘇省重大成果轉(zhuǎn)化項目“第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵材料-氮化稼（GaN）晶片開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”等重大課題形成重大課題專題數(shù)據(jù)庫。其中不但有采集現(xiàn)有重大課題數(shù)據(jù)的功能，還需設(shè)計后續(xù)建庫功能，針對未來可能形成的重大課題隨時可以添加新專題數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 專題數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)流圖

2.4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.4.1 微納加工平臺工藝專題數(shù)據(jù)庫

微納加工平臺工藝專題數(shù)據(jù)庫以各臺設(shè)備為采集主體，上載設(shè)備采購、安裝、調(diào)試過程資料，針對各種工藝流程數(shù)據(jù)以統(tǒng)一規(guī)范的標準進行整理、采集。如圖3所示。

圖3 項目信息管理系統(tǒng)及微納光電器件加工工藝專題數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構(gòu)

2.4.2 工藝數(shù)據(jù)可視化圖表

實現(xiàn)對各專題數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行加工、分析，生成各類統(tǒng)計圖表，形成工藝過程可視化展示。供院所管理者宏觀調(diào)控。

2.4.3 專題數(shù)據(jù)庫共享模塊

設(shè)計專題數(shù)據(jù)庫共享功能模塊，通過權(quán)限的管理和設(shè)置，在數(shù)據(jù)庫使用用戶中實現(xiàn)一定范圍內(nèi)資料的共享。

工藝數(shù)據(jù)共享方式：數(shù)據(jù)庫采用登錄認證形式，設(shè)立3種等級的用戶角色，不同等級享受不同層次的工藝數(shù)據(jù)共享。3種等級及其享受的權(quán)利分別是：1級普通用戶級，主要享受查詢來源于公共資源的加工工藝數(shù)據(jù)及文獻和研究所允許對外公開的普通工藝數(shù)據(jù)，此用戶等級一般授予所內(nèi)普通用戶及中科院的兄弟單位；2級共性工藝使用用戶級，享受1級用戶享受的資源外，還享受重大科研計劃和項目實施過程中形成的一些共性工藝及對共性工藝的仿真模擬功能，此用戶等級一般授予參與建設(shè)本工藝數(shù)據(jù)庫的各課題組和中科院內(nèi)經(jīng)特別允許的人員；3級特種工藝使用用戶級，享受前2級用戶享受的資源外，還享受一些特殊工藝、保密工藝的查詢及特色工藝的模擬仿真功能，此用戶等級一般授予該工藝的直接創(chuàng)造者、所內(nèi)主要負責人和經(jīng)過相關(guān)負責人員特別批準的人。

2.4.4 科研信息管理業(yè)務模塊

完成科研項目實施過程中的項目管理、課題管理、實驗管理、人員管理、信息系統(tǒng)管理的業(yè)務處理；加工工藝管理業(yè)務組件完成工藝數(shù)據(jù)的采集標引、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)查詢發(fā)布、數(shù)據(jù)共享管理業(yè)務的處理；工藝整合模擬業(yè)務組件完成對工藝數(shù)據(jù)庫中的工藝的整合、工藝的仿真模擬和圖形化的業(yè)務處理。

2.4.5 工藝數(shù)據(jù)信息的元數(shù)據(jù)標準化加工模塊

實現(xiàn)微納米光電器件加工工藝數(shù)據(jù)信息的元數(shù)據(jù)標準化加工。無論是手工采集的數(shù)據(jù)還是自動采集的數(shù)據(jù)，均采用專題數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺的基于XML的元數(shù)據(jù)模型，元數(shù)據(jù)包括封裝信息、保存描述信息、描述性信息和內(nèi)容信息中的表征信息四部分。但是眾所周知，目前對大批量XML文檔實施精確檢索的難題還沒有解決，因此將XML文檔中的標簽映射數(shù)據(jù)庫中相應字段，以實現(xiàn)對XML文檔中的信息進行精確檢索，實現(xiàn)對工藝數(shù)據(jù)的標引和工藝數(shù)據(jù)采集的標準化。另外，通過映射機制還有利于與未遵循相同元數(shù)據(jù)方案的數(shù)據(jù)庫聯(lián)合檢索，為跨庫檢索功能的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.4.6 數(shù)據(jù)庫功能擴展模塊

包括原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)整合集成數(shù)據(jù)庫、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、典型問題數(shù)據(jù)庫、異常信息數(shù)據(jù)庫，并可以迅速部署新的重大項目數(shù)據(jù)庫，支持行業(yè)標準和通用編程接口。

2.4.7 系統(tǒng)實現(xiàn)特征

部署、開發(fā)和維護的有效性；系統(tǒng)運行的健壯性和可靠性；具備失敗恢復的能力；能夠同時支持數(shù)百個用戶；具備很高的安全性；數(shù)據(jù)的高可用性；系統(tǒng)費用隨系統(tǒng)規(guī)模的增長而線性增長；不斷進行技術(shù)升級，以滿足不斷涌現(xiàn)的需求。

3 系統(tǒng)擬達到的預期效果

完善的記錄和積累重大科學研究計劃項目實施過程中產(chǎn)生的微納結(jié)構(gòu)和器件加工工藝研究的大量原始數(shù)據(jù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的對這些原始數(shù)據(jù)的有效管理和加工集成，方便項目相關(guān)人員匯總總結(jié)實驗結(jié)果，安排開展進一步的研究工作，加快研究項目的研究進展；提供微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)1套，包括：原始數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)整合集成數(shù)據(jù)庫、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、典型問題數(shù)據(jù)庫、異常信息數(shù)據(jù)庫等。實現(xiàn)加工工藝共享，避免各課題間共性工藝的重復開發(fā)，降低研究成本，提高研究效率。

在微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫錄入加工工藝原始數(shù)據(jù)12000條以上，數(shù)據(jù)量多于3000Mb，數(shù)據(jù)正確完整。能夠?qū)崿F(xiàn)上網(wǎng)共享數(shù)據(jù)量占總數(shù)據(jù)量的80%以上。系統(tǒng)可根據(jù)選擇字段生成動態(tài)可視化圖標15個以上。

開發(fā)工藝模擬模型和圖形化應用環(huán)境，并實現(xiàn)器件設(shè)計模擬和工藝模擬之間相互關(guān)聯(lián)，為開展微納結(jié)構(gòu)與器件的研究提供加工工藝參考和工藝模擬，通用微納加工工藝的重復研究，加快研究進程。

逐步在中科院研究所間及研究所和企業(yè)間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為合作單位提供必要的微納結(jié)構(gòu)和器件制備通用工藝，減少科研的重復投入。

4 總結(jié)與展望

本文通過對微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫的設(shè)計研究，并依托中科院納米加工平臺和分析測試分析平臺，探索建設(shè)能夠開發(fā)工藝模擬模型和圖形化應用環(huán)境，并實現(xiàn)器件設(shè)計模擬和工藝模擬之間相互關(guān)聯(lián)的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫，為合作單位提供必要的微納結(jié)構(gòu)和器件制備通用工藝，減少科研的重復投入的數(shù)據(jù)采集阻力，以獲得盡可能準確完善的工藝數(shù)據(jù)。并實現(xiàn)收集積累所有的實驗數(shù)據(jù)或其他材料，方便數(shù)據(jù)的提煉和參考查閱。工藝數(shù)據(jù)庫能夠?qū)⑺邢嚓P(guān)信息進行關(guān)聯(lián)，從而快速的檢索到自己所需要了解的全部信息。實驗數(shù)據(jù)，結(jié)果，分析一目了然。減少重復性實驗和工作,使科研工作不過度依賴于個人。

在科研工作中，有了一個適合的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，一方面后來者查詢非常方便,可以得到全部，完整的相關(guān)信息，無論學習還是驗證都非常方便。另一方面可以避免重復性實驗,每次實驗前,都可以參考以前的實驗條件，對后來者幫助極大,因為他很容易通過與前面實驗的對比進行分析。對管理者每次總結(jié)，匯報時不需要再次安排任務，所有資料都在數(shù)據(jù)庫中，心中自然能夠很好的把握整個項目的狀況或流程。管理軟件中最關(guān)鍵的就是數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，是基礎(chǔ)，關(guān)鍵，但科研有它的特殊性，每個項目，每個研究領(lǐng)域，研究的對象都大不相同，因此數(shù)據(jù)格式，對象都無法統(tǒng)一，很難指望一個商業(yè)軟件能夠直接用到科研領(lǐng)域中。非常需要單獨對科研領(lǐng)域進行數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的開發(fā)，本文所設(shè)計的微納米加工工藝數(shù)據(jù)庫本這邊建庫、邊應用、邊完善的原則，已經(jīng)取得了初步效果，方便了微納米加工工藝查詢、關(guān)聯(lián)、整合提煉和數(shù)據(jù)集成，服務科研，加快科研進程。

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