关键词： 氧气传感器   二氧化锡   气体传感器   低功耗  

摘要： 氧气是人类赖以生存的气体,空气中的氧气含量过高或者过低都会对人体健康造成影响,通过检测呼出气体中氧气含量能够判断人体的健康状况。随着气体传感器的发展,其在便携式设备上集成的需求也在不断增加。目前,商用氧气传感器普遍采用电化学传感器,但它具有不易集成、功耗高、稳定性差的缺点。相比之下,半导体氧气传感器因其可集成、体积小的优势而被广泛研究,但是目前大多研究是面向真空或者惰性气体氛围的使用环境,而且需要高温加热,功耗仍然较高。如果在空气中使用(氧气含量21%),这些传感器的性能会大幅下降,甚至失灵。因此,需要研究适用于空气背景中的可集成、低功耗的氧气传感器。本文主要工作及结果如下:(1)采用先溅射后氧化的方法制备Sn O薄膜(先溅射锡膜,然后再高温氧化成Sn O膜),研究不同氧化温度和膜厚度对薄膜结构的影响。利用SEM、TEM、XRD、XPS和EDS等表征技术对样品的形貌、晶体结构和化学组份进行分析。发现氧化温度对于薄膜形貌以及晶体结构具有较大影响,其中在800℃下氧化的110 nm薄膜具有最高的氧空位含量(36.5%)。(2)研究加热温度与紫外光照对传感器性能的影响。在无光照条件下,传感器对氧气无响应;在365 nm的紫外光照下,传感器在室温下能够实现氧气的检测,而且随着工作温度升高至60℃时,响应时间从625 s减少到480 s。(3)研究Sn O薄膜制备过程中的氧化温度和膜厚对气敏性能的影响。发现氧化温度对灵敏度的影响较大,通过优化氧化温度使得响应幅值提高了约3.5倍;而膜厚对响应时间的影响较大,通过优化厚度使得优化响应时间缩短了1.3倍,得出800℃的最佳氧化温度和110 nm的最佳膜厚。(4)所制备Sn O薄膜传感器,对氧气的检测限达到1%浓度(能测到空气中氧气浓度1%的变化),并具有良好的重复性、选择性以及长期稳定性(两个月阻值变化1.29%,灵敏度变化<2%)。分析表明,氧空位含量是影响敏感性能的主要因素,此外薄膜的形貌和晶体结构对敏感性能也有一定影响。(5)为了进行比较,利用传统的反应溅射工艺制备Sn O薄膜(直接沉积Sn O薄膜),并测试了其对氧气的敏感性能。与上述的先溅射后氧化的两步制备方法相比,反应溅射制备的Sn O薄膜传感器的响应时间较长(>15 min)、选择性较差。通过以上研究,本文通过先溅射后氧化的方法制备的Sn O氧气传感器,能够实现室温下的氧气检测,并且具有良好的灵敏度、重复性、选择性和长期稳定性,具备一定的实用性和商业应用价值。

关键词： 电力系统   低功耗电子电路   过温保护   温度传感器  

摘要： 由于低功耗电子电路过温保护应用设备无法精确测量电子电路的温度数值,致使电子电路过温保护效果较差,提出船舶电力系统低功耗电子电路过温保护方法研究。选取三极管作为低功耗电子电路温度测量器件,分析其温度测量原理,以此为基础,根据电子电路热源与温度分布情况,设置三极管位置,确定低功耗电子电路温度滞回量,制定过温保护程序,执行程序即可实现低功耗电子电路的过温保护。通过对某船舶的实验可以证明,温度滞回量约为15℃时,能够有效防止电子电路发生热振荡,证实了提出方法的实用性较好。

关键词： 室内定位   蓝牙   LoRa   低功耗   路径优化  

摘要： 近年来随着物联网和位置传感器技术的不断发展,人们对基于电池供电的低功耗技术室内定位需求也不断提高。针对无移动终端的室内应用场景,本文设计并实现了一个低功耗室内定位系统,重点研究了没有智能手机作为终端设备的室内定位方式,依靠蓝牙定位和LoRa传输实现定位、路径显示等功能。首先,对国内外各种室内、室外定位方式和发展情况进行分析总结,结合实际应用场景、成本等因素,确定室内定位系统总体方案。由于拟定的应用场景内无法携带手机入内,智能手机不能作为定位终端,因此本文采用由蓝牙定位后再由LoRa无线传输模块来传输位置信息的方式,确定位置信息、得到移动路径并采用滤波算法对路径进行优化。其次,根据确定的整体方案进行详细的硬件和软件设计。确定胸卡、基站、信标三者组成的完整系统,将信标广播信号转化为位置信息,并根据接收到的信号强度指示计算待测点和信标之间的距离,连续推算待测点位置从而完成轨迹的连续绘制。然后,对位置路径信息进行数据处理,做到更精确定位。通过对当前滤波数据融合算法的研究,提出了适用于优化本系统中路径的改进高斯粒子滤波算法,该算法融入人工鱼群寻优,和粒子滤波技术相比提高了滤波精度;并且将传统的高斯粒子滤波采样环节替换为线性变化,从而保证了算法实时性。最后,搭建实验平台、设计实验,对基于蓝牙定位和LoRa数据传输的室内定位系统功能以及性能进行检测和验证。定位实验、功耗实验和路径优化实验结果表明,该系统达到了最初设计目标。在没有手机作为终端的情况下,能准确实现定位、精确显示路径轨迹,对实际相关环境下室内定位系统设计应用有一定参考价值。

关键词： 量子图像传感器   过采样策略   光子计数   动态范围   低功耗   低失调   读出电路   ADC  

摘要： 随着半导体工艺的进步,CMOS图像传感器正朝着小尺寸和高分辨率的方向发展。然而像素尺寸的减小却影响了像素的动态范围和满阱容量等性能。量子图像传感器具有单光子计数、时间过采样和空间过采样三大特征,未来有望应用于许多特殊环境下,如微弱光环境成像及高速运动物体捕获等。目前,量子图像传感器的研究仍然有很多问题需要解决,例如,单比特量子图像传感器的信息冗余问题和高速、低功耗的电路设计问题。本文研究了量子图像传感器的过采样成像模型和低功耗的读出电路设计。本论文首先考虑量子图像传感器成像过程中引入的读噪声,全面地分析了量子图像传感器成像的数学模型;基于多比特量子图像传感器的成像模型,研究和探讨了不同过采样策略对量子图像传感器成像性能的影响,建立了过采样策略优化模型,通过动态范围和失调容限的约束,得到了子像素过采样的最优位深。在此基础上提出了扩展多比特量子图像传感器动态范围的方案。通过对过采样策略优化模型的分析得到,量子图像传感器的成像位深为12比特,等效满阱容量为4095e-时,子像素过采样的最佳比特深度是3,为保证区间误码率小于千分之一,读出电路失调应低于0.22e-;以过采样模型为基础,本文设计了一种多比特量子图像传感器的读出电路,该结构的核心是采用多路复用器减少比较器数量,在保证速度、减小失调的条件下,降低了电路功耗与面积。本文中的3-bit读出电路的设计采用了0.11μm的CMOS工艺,版图列宽为3.9μm,工作频率为1M/s;经过仿真,ADC的功耗为0.116μW。蒙特卡洛仿真表明,ADC的失调为49μV,可以满足多比特量子图像传感器的单光子分辨需求。

关键词： 偏振敏感OCT   同步控制   多线程   双通道采集   相位延迟  

摘要： 光学相干层析成像（Optical Coherence Tomography,OCT）是一种新兴的干涉测量技术,主要通过测量从组织内部反射回来的光强,从而进行无创高分辨率横截面成像。这种非接触式的成像方式,在医学上具有广泛的应用前景。但传统的OCT技术对于一些不太明显的特征是无法进行探测的,因此传统OCT技术进行了扩展,开发出一些新型的OCT测量技术。其中偏振敏感OCT（polarization sensitive optical coherence tomography,PS-OCT）就是一种拓展型OCT技术。它主要探测偏振光在组织内部的偏振态变化,从而确定组织内部的偏振特性。这些特性主要包括:双折射,二向性和光轴方向等。从而为图像提供额外的对比度。而大多数生物组织都具有双折射的偏振特性,因此PS-OCT正好是测量双折射组织的有效方式。本文主要对一套非完善的PS-OCT系统进行优化。并对优化后的系统进行应用测试。该系统拟定采用琼斯矩阵的方式对后期的偏振特性进行计算,因此不可避免地需要进行双通道采集。但是原系统并未设计出配套同步控制系统,使得双通道数据无法同时采集,从而导致两个通道的图像不可避免产生错位。这将对后期偏振特性的计算带来误差。因此本文根据光学系统的特点设计相应的同步控制系统。利用扫频光源的同步时钟信号,控制系统各个模块的同步运行,其中包括采集模块和振镜控制模块的协调同步,从而使得一组数据的采集周期与振镜来回转动的周期一致。并且双通道同时进行采集,保证两个通道的数据一致性,从而提升了数据的可靠性。同时,原系统并未实现双通道数据实时显示的功能,导致无法根据实时图像去判定所采集数据的优劣,也不能根据实时图像反馈去调整光路。因此本文根据同步控制系统完成配套软件的编写。其中包括系统界面的编写,从而实现人机交互的功能。然后利用多线程技术对配套软件内部各个模块的程序进行分块处理,其中包括数据采集,数据处理以及数据显示等模块。并利用同步锁的方式实现了各个模块的同步运行。最后设计了一套利用环形缓冲区的数据存储方案,从而实现了双通道系统的实时成像。最后利用优化后的系统对平面镜,红外卡,玻片以及皮肤等光学组件和生物组织进行应用测试,双通道的实时成像验证了系统可行性。并且对玻片进行了相位延迟的测量,并与优化前的结果进行对比,明显提升了系统的相位测量精度。

关键词： 阻抗匹配   低功耗   ZigBee   高密度   成组控制   时间网络  

摘要： LAMOST又名“郭守敬望远镜”,它是一部主动反射式施密特望远镜,为了同时观测到4000个天体,需要控制4000个光纤单元,整个无线控制器系统从安装完成到现在,正常运行了 12年,现LAMOST无线系统的核心芯片MC13213、MC13192、MC9S12等芯片是Freescale公司2004年推出的产品,由于公司重组等原因,该产品在18年停止生产,考虑到LAMOST运行维护,需要设计新的控制系统,并要求与现有系统兼容,以满足在运行维护的要求并逐步替代现有系统。在12年的运行维护中发现现有系统仍然存在需要改进的地方:1、子节点驱动板在静态功耗方面,4000个驱动板产生的热量会导致观测的环境条件变差以及现场安全性能降低,仍需改进。2、在无线通讯方面,通讯的信号质量存在不足,有待提高。3、采用逐个发送询问,通讯方式的效率低,今后控制系统改成闭环时难以满足实时性要求。4、通讯数据不具备时间网络,运行数据查询困难并容易混淆。针对以上问题,本文设计了一套基于CC2530的无线控制器系统。该控制器系统与现有的控制器系统可以并行运行,并具备原有控制器系统的所有功能。本文控制器主要从以下方面进行了设计:1、与原系统的兼容性设计,该系统上位机与主节点控制板采用CAN以及串口通讯设计,主节点控制板与子节点驱动板采用zigbee无线设计,信道设计与原控制系统区分。2、子节点驱动板的电源模块采用开关电源进行重新设计,降低了子节点驱动板的静态功耗;射频部分,采用了单端线,差分线阻抗匹配,电容电阻微调阻抗等关键技术,减少了信号的损失与反射,极大提高了子节点控制板的无线通讯质量。3、主节点控制板采用了 STM32+射频控制CC2530+功率放大RXF2401C的设计,提高了主节点无线发送的信号质量及接收的灵敏度。4、软件方面,对LAMOST控制的特征进行了研究,采用成组发送,逐一轮询的方式进行控制,采用奇偶校验,提高了系统的通讯可靠性,降低了通讯时间;并对整个控制数据设计了时间戳,为整个系统数据的分析提供可靠的数据。与原控制系统相比,本文设计的无线控制器系统性能有以下提升:第一,子节点驱动板的静态功耗降低了约33%;第二,子节点驱动板以及主节点控制板的无线信号强度大大提高;第三,实验中的实验数据更加具有可靠性,通讯效率也更高。

关键词： 阵列雷达   回波模拟   上位机软件   多线程   PCIe  

摘要： 随着现代雷达技术的发展,雷达系统的功能变得灵活丰富,雷达系统的开发调试工作也越来越复杂。通常情况下,调试雷达信号处理机时需要大量外场试验,采集雷达回波数据用来调试雷达系统。但是外场试验受天气影响严重,外场的环境复杂多变,不可控因素较多,需要耗费较多的人力、物力和时间成本,因此研制一种能够灵活模拟真实场景下雷达回波数据的模拟器十分重要。本文设计了一款通用阵列雷达回波模拟器,旨在为雷达信号处理机提供测试数据,方便雷达系统的调试并缩短其开发周期。论文首先阐述了雷达回波模拟器的研究背景和意义,并对模拟器的国内外研究现状进行了调研;然后研究了阵列雷达的工作原理和雷达回波模拟技术,介绍了相关理论基础;之后结合理论基础和实际项目需求设计了硬件实现方法,并根据重要的硬件资源完成了具体器件选型;搭建完硬件平台后,按照模块化分层设计的思想构建了软件框架,并依次介绍了设备驱动层、数据传输层、业务逻辑层和界面显示层的具体功能和实现过程;最后对完成的设计进行测试,分别测试了软件的显控功能、软件稳定性、PCIe数据传输速度和回波数据的正确性。在实现雷达回波模拟控制软件过程中重点考虑了系统的通用性、模拟的实时性和数据输出的高速性。为适应不同的雷达系统和易变的工作环境,本文在模拟回波时将天线、雷达、信号、噪声、目标、干扰和杂波等信息参数化处理,可以通过界面灵活设置各种参数。针对不规则的扫描方式、发射信号波形和运动轨迹等,系统支持通过文件导入具体的参数数据。为实时模拟回波数据,本文启动了大量线程同时处理,充分利用了多核CPU的性能。考虑到大规模阵列雷达的数据传输带宽较大,本文在计算机与自制板卡间使用了PCIe协议传输回波数据,板卡输出端使用了192路光纤。本文设计实现过程中涉及到的关键技术包括雷达回波模拟技术、Linux下PCIe驱动程序开发、C++多线程编程和线程间通信、内存池技术和Qt界面动态绘图技术等。本文最终采用高性能服务器和光纤数据发送板卡实现了阵列雷达目标回波、杂波和干扰信号模拟控制软件。经测试,本文设计实现的雷达回波模拟控制软件具备较好的通用性、稳定性和实时性,模拟的回波数据真实可靠,模拟功能灵活多样。

关键词： 运算放大器   轨至轨   恒跨导   恒流控制   四倍电流控制  

摘要： 轨至轨运算放大器（Rail-to-Rail Operational Amplifier,Rt R OP）因其接近电源电压的输入和输出信号范围,已广泛应用于通信、数模转换等众多领域的基础模拟电路之中。为运放精度和速度的需要,在低功耗约束下获得足够大的增益和带宽已成为Rt R OP设计关键而紧迫的挑战。在传统运放结构中,增益和带宽的提高通常以大的静态功耗为代价,低功耗与高速响应的相互制约关系显著增加了运放电路设计的难度。低功耗轨至轨宽带高精度运放的设计有较好的学术意义和较高的实用价值。轨至轨运放设计的关键和难点在于输入级恒跨导控制。在充分利用输入级电流的条件下,获得尽可能平缓的跨导曲线,有利于运放的频率补偿和宽带设计。本文采用恒流控制和四倍尾电流控制两种输入级恒跨导方案,设计了两款轨至轨运算放大器。基于TSMC 0.35μm CMOS标准工艺和3.3V电源电压,利用Cadence仿真平台,完成了电路的参数设计和仿真验证。在实验室现有的条件下对两个电路方案的各项性能进行了简单测试和评估。测试结果表明,两个电路均能实现输入和输出轨至轨功能,恒流控制方案总静态电流小于220μA,正、负转换速率分别为4.4V/μs和7.4V/μs,直流增益为92d B～97d B。在47p F负载电容的条件下,单位增益带宽为9.6MHz,相位裕度为47.5°。四倍尾电流控制方案中,运放的正、负转换速率分别为3.8V/μs和9.4V/μs,直流增益为90d B～94d B。在47p F负载电容的条件下,单位增益带宽为9.3MHz,相位裕度为49.3°。芯片基本达到了预期的测试要求,部分参数相比仿真结果有不同程度的退化,对此分析了退化的原因并给出了可行的改进方案。

关键词： 微加热器   低功耗   气体传感器   多孔膜   MEMS  

摘要： 微机电系统（MEMS）以其低电压和低功耗设计等优点在便携式电子应用中占据优势,因此它已成为系统设计的关键组成部分。在检测易燃或有毒气体存在的安全应用中,微机电系统（MEMS）气体传感器的需求不可避免。而随着民用消费电子领域对气体传感器需求的不断增加,低功耗引起了人们的广泛关注。气体传感器的低功耗特性一直是由其功能元件—微加热器所决定的,因此,微加热器的设计与实现具有重要意义。低功耗微加热器的设计在过去的几十年里被大量研究,并取得了一些进展。研究人员通过微加热器的小型化设计,在提供400℃的加热温度时使其功耗降低至10mW。然而,金属氧化物气体传感器需要一个较大的传感区域来实现更好的灵敏度,因此,器件有源区的小型化必然导致较低的灵敏度。如何权衡传感器的传感性能和低功耗的要求一直是研究人员在微加热器设计中面临的一个难题。我通过优化微加热器介质膜的几何形状,设计了一种穿孔膜低功耗微加热器,该微加热器保持了较大的有效面积,且最大程度上地降低了传感器功耗。通过分析微加热器的热损耗特性,提出了热传导会导致传热过程中最大的热损失,因此我通过在悬梁微热器的介质膜上增加孔洞,设计出了微加热器。为了保证穿孔设计对127um×46um矩形微加热器的热力学性能没有影响,利用COMSOL Multiphysics软件对该装置进行了有限元分析。所提出的微加热器的带孔介质层薄膜与一般MEMS微加热器的制造工艺有所不同。采用与刻蚀微加热器悬梁的释放窗口相同的RIE（反应离子蚀刻）工艺,制造出了微加热器介质层的穿孔膜。所有的制造工艺均采用MEMS制造工艺实现。在这篇论文中,我尝试着解决了气体传感器传感性能和低功耗性能之间难以兼得的矛盾,通过证明减少加热电阻处的支撑膜的热损失可以降低功耗,我设计了一种改进型穿孔介质层的双梁悬浮膜微加热器。试验结果显示,在400℃下,该系统的功耗降低了 18.6%,功耗为15.18mW,响应时间为0.42ms,且该结果是热稳定的。这表明微加热器可以作为商业MEMS传感器的一个良好平台而被广泛应用。

关键词： 两端口SRAM   高性能   低功耗   自定时设计   FinFET  

摘要： 静态随机存储器(Static Random-Access Memory,SRAM),在便携式移动电子设备、可穿戴电子设备以及片上系统(Systems On Chip,SOC)等嵌入式产品中扮演了重要的角色。目前芯片制造工艺不断发展,嵌入式芯片的工作带宽、功耗、面积和速度等性能指标也日益严苛。Fin FET工艺逐渐取代传统平面CMOS工艺,成为了目前主流的先进芯片制造工艺。为了满足目前嵌入式芯片的设计需求,对嵌入式SRAM设计在Fin FET工艺下展开进一步研究具有重大的理论和实践意义。本文研究了高性能低功耗嵌入式SRAM的设计方法,并分析了目前国内外双端口SRAM的主要设计方案,针对现有设计方案中存在的问题,研究提出了一套可行的高性能低功耗嵌入式两端口SRAM方案。在TSMC 7nm Fin FET工艺下,完成了一块容量为32-kb,数据位宽为256位,一读一写两端口SRAM(1R1W 2P-SRAM)的电路及版图设计。主要工作内容和成果包括:1.针对双端口SRAM的研究现状,提出采用单端6T型存储单元来实现嵌入式两端口SRAM设计,整体设计相比传统的双端口SRAM拥有更高的密度、更好的读写性能以及较低的泄漏功耗。2.添加复制阵列,设计数据读写操作的跟踪和自定时电路,实现先读后写的两端口SRAM工作时序;设计电压锁存型灵敏放大器的自时序控制电路,提升SRAM的数据读操作速度和稳定性;设计高性能低功耗的字线译码及驱动电路,降低字线功耗并提升SRAM的读写稳定性。3.使用Virtuoso、Finesim等EDA工具完成了对目标SRAM各模块电路的设计并执行功能性仿真验证,对电路版图进行寄生参数提取,执行后仿真验证、工作频率分析和功耗分析等。本文提出的两端口SRAM芯片版图面积约为4125.96μ8),相对于同等工艺下使用8T型存储单元其整体面积可以节省至少约30%。经过仿真分析,在电压0.9 V、温度100℃工作环境下,该两端口SRAM工作频率可以达到2.5 GHz。功耗方面,在电压0.75 V、温度25℃工作环境下,静态功耗达到8.9μW。动态功耗中写功耗约为10.7 m W/GHz,读功耗约为13.92 m W/GHz,一读一写功耗约为17.31 m W/GHz。访问速度上,在0.65 V工作电压下最大的读取时间不超过500 ps。从仿真数据整体结果分析,本文设计实现了高性能低功耗两端口SRAM的各项设计目标。