关键词： 气体传感器   硅纳米线   竖直阵列   金属氧化物  

摘要： 气体传感器在环境、安全、健康、食品等领域均有着广泛的应用。随着物联网和人工智能的发展，气体传感器势必会在人类日常生活中占据越来越重要的位置，甚至成为一种大众消耗品。因此，开发小型便携以及低功耗的气体传感器显得非常重要。气体传感器的种类众多，工作原理也不尽相同。其中半导体电阻型气体传感器可选的半导体材料种类丰富，结构简单，成本较低，因而是目前商用气体传感器中应用最多的一种。然而，目前商业化的半导体传感器大部分都需要在高温下工作，能耗级别一般在数百毫瓦级别。这一缺陷阻碍了半导体气体传感器在物联网及智能移动终端的应用。因而研发低功耗室温传感器或自驱动型传感器是气体传感领域的一项重要课题。研究表明，石墨烯、碳纳米管、贵金属纳米颗粒、硅纳米材料等具有极高的比表面积和较高的载流子迁移率，因而是理想的室温气体敏感材料。然而上述纳米材料对气体的活性吸附位点单一，难以做到对各类无机及有机气体产生相对选择性响应。虽然表面修饰和掺杂可以一定程度上解决这一问题，但材料制备过程较为复杂、新引入的活性吸附位点气敏机理不明确，稳定性不高。如前所述，金属氧化物（MO）半导体一直是商业化应用最多的气敏材料。MO的优点很多，如气敏机理相对明确，种类多样、吸附位点丰富且可调控、成本低廉等。如能克服该类材料需在高温工作的缺陷，势必将极大地推动MO在智能传感领域的大规模应用。因此，本论文围绕着这一研究目标提出了MO与纳米室温传感材料复合的研究思路。硅纳米线（SiNWs）阵列具有高比表面积、良好的光电转换性能、易可控制备、结构有序、能与CMOS和MEMS工艺集成等优势，是一种良好的室温气敏半导体材料。本文将SiNWs与MO通过不同方式的接触分别形成了顶端接触型和核壳型SiNWs/MO复合材料。该方法不仅解决了SiNWs表面稳定性问题，同时大大丰富了气敏吸附位点。基于SiNWs/MO复合材料构建了自驱动光电二极管气敏传感器以及多种类型的低功耗室温气敏材料，实现了常温下对单一气体、复杂气体的高灵敏检测和识别。本论文的主要内容如下：　　第一章对气体传感器进行了简单的概括总结并归纳总结了室温传感器的相关气敏材料，然后主要介绍了近年来基于纳米线的电学式气体传感器研究，包括化学电阻式、场效应管、场致离子化、自驱动式等类型，并分析了各种传感器的工作原理。接着介绍了半导体复合物的制备、种类以及异质结，着重讲解了异质结对气体传感的影响。最后对电子鼻气体传感器进行了简单的介绍。　　第二章通过MACE法制备了硅纳米线(SiNWs)，在适当的压力作用下，让SiNWs顶端和ITO接触在一起，制备出了顶端接触型SiNWs/ITO气敏光电二极管。因为SiNWs较大的比表面体积和较低的反射率，该气敏光电二极管具有良好的光捕获性能,SiNWs/ITO结构中PN结的存在，又使其在可见光照射下稳定地输出光电流。由于气体分子能通过SiNWs的间隙扩散至其与ITO形成的PN结而影响光电流的输出，因而该传感器无需外界供电就能检测气体分子。在室温下及可见光照射下，这种自驱动型传感器对NO2的检测极限达到~ppb水平。与单纯SiNWs的气体传感器相比，自供电传感器的灵敏度有了明显的提高。这项工作为合理设计基于纳米pn异质结的自供电气体传感器带来了新的思路。　　第三章采用溶胶-滴涂法制备了具有核-壳纳米结构的SiNWs/TiO2阵列。该混合材料在室温条件下具有良好的检测CH4的传感性能。化学电阻传感器对CH4气体的线性响应范围为30~120ppm，检测限为20ppm，远低于之前报道的大多数CH4传感器。室温下气体传感性能的增强归功于在SiNWs和TiO2层界面形成耗尽层的异质结的形成。在TiO2层上吸附氧和相应的气体分析物，可以引起耗尽层厚度的变化，从而改变SiNWs导电通道的宽度，对气体分析物产生灵敏的导电响应。与传统的金属氧化物气体传感器相比，室温SiNWs/TiO2气体传感器不需要额外的加热装置，功耗在μW水平。低功耗特性对传感设备的广泛部署和物联网的实现具有重要意义。　　第四章制备了六种不同的金属氧化物（CuO，Fe2O3，V2O5，WO3，Co3O4，SnO2）溶胶，并通过溶胶-滴涂法分别将它们与SiNWs复合，并将它们用于阵列传感器中，从而制备了具有六个位点的电子鼻传感器件。该电子鼻传感器件可以很好的对H2S,NH3,CO,NO,Acetone等五种单组分气体进行区分，也可以很好的区分它们的混合气体。并且该电子鼻传感器件还可以应用在各种实际气体区分中，比如对冰箱内食品新鲜度的区分。该室温电子鼻敏感器件的功耗也在μW级别，因而将会在人工智能、可穿戴设备、物联网等领域有着巨大的潜力。　　第五章对上述工作进行总结并提出改进建议，同时对以竖直硅纳米线阵列为基底构建的低功耗气体传感器的应用前景进行了展望。

关键词： 负电容独立栅FinFET   高低阈值   低功耗   TCAD   铁电材料  

摘要： 伴随着集成电路产业的高速发展,当前主流的半导体制造工艺已进入7nm尺寸。为了满足规模更大、速度更高、功耗更低的集成电路芯片的制造要求,尺寸不断缩小的传统COMS器件所面临的各种短沟道效应、功耗等问题愈发严重,已逐渐接近其正常工作的物理极限。为适应集成电路芯片的性能要求,急需要新型的纳米器件去代替传统的晶体管器件。其中负电容场效应管NCFET是一种与当前主流集成电路制造工艺相容并有望突破晶体管物理极限的新型低电压低功耗器件。NCFET器件是通过将具有负电容特性的铁电材料与晶体管器件(称为基准器件)的栅极串接形成,并利用铁电材料的负电容特性使其亚阈值摆幅可以改善到60mV/dec以下。较小亚阈值摆幅的NCFET器件具有较小的漏电流,并在低电压时仍具有足够的导通电流,从而实现低功耗的目标。本文将一定厚度的铁电材料HfO应用到独立栅FinFET(IG-FinFET)器件的前栅和后栅表面,构成具有对称结构的负电容独立栅FinFET器件(NC-IG-FinFET),并针对NC-IG-FinFET新器件构建了TCAD仿真模型和Hspice电路仿真模型。与NC-FinET器件相比,本文提出的NC-IG-FinFET新器件具有阈值电压可调、电路结构更加灵活、电源电压更低等优点。本文主要创新点如下:1、构建了具有对称结构的负电容独立栅FinFET器件(NC-IG-FinFET),通过对器件的栅功函数、结构尺寸和铁电材料等参数进行优化,以开关电流比、导通电流、关断电流为优化目标,获得了性能良好的负电容低阈值独立栅FinFET(NC-LT-IG-FinFET)和负电容高阈值独立栅FinFET(NC-HT-IG-FinFET)新器件。2、对NC-LT-IG-FinFET和NC-HT-IG-FinFET新器件进行TCAD整体建模和模块化建模。其中整体建模是将铁电材料和基准器件IG-FinFET作为一个整体进行TCAD仿真建模,而模块化建模是将铁电材料和基准器件分成两个模块分别进行建模,最后通过自洽一致的求解方式进行整体建模,其中基准器件IG-FinFET采用基于物理分析和实验测试数据进行修正的TCAD3D仿真模型,而铁电材料则采用L-K方程进行建模。3、构建了适用于NC-IG-FinFET器件的Hspice电路仿真模型,为后续研究NC-IG-FinFET器件的电路应用提供仿真基础。本课题的研究结果表明,我们构建出的NC-IG-FinFET新器件具有阈值电压可调、工作电压较低等优点。我们通过优化参数构建出的NC-LT-IG-FinFET、NC-HT-IG-FinFET新器件,和基准器件相比,具有较小的亚阈值摆幅和较大的开关电流比,在降低功耗方面具有显著的优势,这对纳米器件的发展具有一定的意义。

关键词： 龙芯处理器   Firefox浏览器   Skia   LibYUV   向量优化  

摘要： 通用处理器与其上运行的基础软件是紧密联系的,需要并行发展。然而基础软件的研发会大量涉及处理器硬件相关知识,这给广大开发人员带来一定难度。因此,通常需要处理器厂商提供底层基础软件支持。龙芯处理器是基于MIPS架构的自主可控国产处理器,相比ARM,intel体系结构,目前存在应用不够丰富,软件生态不够健全的突出问题,这无疑会限制龙芯处理器的推广应用。浏览器作为通用处理器桌面应用的核心API软件,是最基础核心的软件平台之一。龙芯平台选择Firefox浏览器作为默认浏览器,当其稳定运行以后,性能问题无疑是下一步工作的重中之重,其在某种程度上决定着桌面的用户体验。为了提高浏览器多媒体应用的性能表现,本文的主要工作与创新之处如下:(1)SIMD技术通过对数据的并行操作来显著提升程序执行的效率,使用编译器intrinsic接口实现了基于MSA指令集的Skia向量优化。针对Skia库中函数特点和MSA指令集的限制,对若干函数进行代码重构便于向量化,同时尽可能的减少分支指令延迟。针对向量浮点异常问题,提出一种方法实现浮点数二进制向十进制的快速转换,易于调试。解决开发中遇到的符号扩展,编译支持等问题。(2)手写汇编代码具有较高的执行效率,同时LibYUV中数据操作具有小整数饱和特点,实现了基于龙芯多媒体指令的LibYUV的汇编优化。得益于龙芯处理器寄存器堆大的特点,通过常量预加载然后查寄存器法大大减少函数计算量;结合多媒体指令特点,如饱和处理,融合乘加等指令对特殊函数又进行一轮算法级优化,以充分挖掘硬件潜力。设计接口自适应择优算法减少非对齐防存带来的性能损耗;分析并解决invert模式问题;梳理修改Firefox编译系统configure流程,做到让编译系统自动检测和配置系统环境信息,防止由于规范不统一引发的编译错误。最后,从独立库和集成到浏览器两个维度进行性能测试,结果表明利用龙芯SIMD技术能够使Firefox浏览器多媒体应用有较高的性能,相关工作成果已推送谷歌开源社区。

关键词： 微处理器   直接存储器访问   低功耗   开发平台   功能验证  

摘要： 直接存储器访问（Direct Memory Access,DMA）是所有现代微处理器（Microcontroller Unit,MCU）的重要模块。DMA支持不同传输速度的硬件装置之间的交互,而此交互不必依赖于CPU（Central Processing Unit）的中断负载进行。否则,CPU将需要从来源把每一个运行程序的资料和数据拷贝到缓存器中,然后再把它们写回到一个新的目的地址中,在这段时间内,CPU将无法正常进行其他的工作,采用DMA来进行数据传输,可以减少CPU的工作量,提高微处理器的系统效率。本文设计了一种具有较强数据搬运功能的DMA,每个通道最多一次可支持216个数据传输;支持数据的位宽不对等传输,源地址数据和目的地址数据均可配置成8bits、16bits、32bits;通道优先级包括固有优先级和软件配置优先级,固有优先级从通道1到通道7逐渐递增,软件可配置优先级多达四种:低,中,高,非常高;数据搬运方向包括三种:存储器到存储器、存储器到外设、外设到存储器。并在DMA的设计完成后,对DMA进行功耗上的改进,引入时钟门控技术,在很大程度上降低了DMA在数据传输过程中所需要产生的功耗。应用Keil微控制器开发套件编写测试程序,对模块进行了设计功能验证。并在VCS上完成仿真验证,确认了DMA模块各种模式下的数据搬运无误。应用synopsys公司的Prime Time软件进行了功耗分析,将D M A模块在有无引入时钟门控的区别下,对搬运同一批数据时所产生的功耗进行对比。结果显示,引入时钟门控技术的DMA动态功耗下降了3 1.9%。对提高M C U的系统效率以及降低M C U的功耗都具有比较重要的意义。

关键词： 低功耗   DDR高速信号   封装布线  

摘要： 芯片的布线封装具有线条间距窄、走线较细的特点,其封装设计的质量与信号传输效率密切相关,因此对于信号布线工作提出挑战.本文通过分析封装布线工作中基板传输线的电性能,围绕结构设计等方面探究低功耗DDR高速信号封装布线方案,进而通过低功耗双层DDR封装布线方案可以提升信号的传输速率.

摘要： 为了提高多段翼型性能,采用基于Pareto优选技术的多目标粒子群算法进行了多段翼型的缝道参数(缝隙、重叠量和偏转角度)以及翼型形状等量的优化设计。考虑多段翼型在固定设计点处的升阻力及力矩特性进行了单设计点多目标的优化设计,并将多线程计算引入到优化设计过程中,实现了基于多线程改进粒子群算法的多段翼型设计优化系统,提高了优化效率。气动计算网格采用混合网格,气动分析采用N-S方程的数值解法。设计实践表明,文中的优化方法效率高,且优化设计后的多段翼型性能较好。

关键词： 三级运算放大器   频率补偿   自级联   高增益   低功耗  

摘要： 当前,运算放大器及其反馈网络可用于实现输入模拟信号之间的多种数学运算及信号处理,这些信号处理电路的性能主要取决于运算放大器的性能,研究提高运算放大器性能的设计方法和电路结构有重要的理论意义和实用价值。用于衡量运算放大器性能的众多指标之中,增益和功耗是最主要的性能参数,然而两者往往难以同时实现,需要根据具体应用进行折中,为解决高精度要求的ADC/DCA、仪表放大器及音频放大器等应用场合对高增益、低功耗运算放大器的要求,本文以提高运算放大器的增益和降低运算放大器的功耗为主要任务,开展了如下研究。本文首先设计了一款高增益的三级运算放大器,采用五管全差分、套筒式共源共栅和典型共源极作为放大级,并设计了共模反馈、频率补偿和偏置电路。基于运放的零极点理论和极点分裂效应,分别对该运放应用了嵌套式密勒补偿（NMC）和阻抗调节补偿（IAC）技术。采用TSMC 0.18μm CMOS工艺库中耐压值3.3V的晶体管及HSPICE软件该运放进行了仿真,当电源电压为3V时,其开环增益为155d B,单位增益带宽为110MHz,采用NMC补偿结构时其相位裕度为84°、静态功耗为7.07m W,采用IAC补偿结构时其相位裕度为58.3°、静态功耗为7.14m W。为了提高低电压低功耗情形下运算放大器的增益,对比研究当前增益提高的设计方法后,本文设计了一款低功耗且具有较高增益的三级运算放大器。第一级为全差分输入级,第二级为互补型交叉耦合电流镜负载放大器,在继承电流镜负载高增益优点的同时实现了双端输出,第三级为共源极结构以增大输出摆幅,放大电路均使用Self-Cascode增加输出阻抗以提高增益。此外还设计了共模反馈、频率补偿及偏置电路。基于运放的零极点理论和极点分裂效应,采用阻尼因子抑制补偿（DFCFC）技术进行频率补偿以保证运算放大器的稳定性。采用TSMC 0.18μm CMOS工艺库中耐压值1.8V的晶体管,分别用HSPICE软件和Cadence软件对所设计的运算放大器进行了仿真。当电源电压为1.8V时,其增益为123d B,相位裕度为62°,单位增益带宽为76MHz,静态功耗为0.512m W;当电源电压为1.3V时,其增益为90.8d B,相位裕度为62.3°,单位增益带宽为70MHz,静态功耗为0.176m W。仿真结果表明,降低电源电压并使用Self-Cascode电路结构后,运算放大器的功耗显著降低且获得了较高的增益,这些研究成果为低功耗、高增益运算放大器的设计提供了参考思路。

摘要： Dialog半导体公司宣布,其收购Adesto Technologies后新增的产品FusionHD NOR闪存完全兼容并可与Dialog的SmartBond DA1469x低功耗蓝牙(BLE)微控制器(MCU)搭配使用。采用该组合解决方案,客户将能在广泛的工业和联网消费类应用中部署最新的低功耗蓝牙技术,同时将功耗控制在极低水平。

关键词： 流水线ADC   无采样保持电路   伪随机噪声   后台数字校准算法  

摘要： 随着集成电路技术和计算机技术的高速发展,信息处理方式越来越趋于数字化。作为连接模拟系统和数字系统的关键器件,模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)一直是集成电路领域的研究热点。相比于其他类型的模数转换器,流水线型模数转换器因其能够很好的兼顾速度、精度、功耗和面积而成为无线通信和高清数字媒体等领域应用的主流架构。尤其近年来5G通信技术和超高清数字媒体的兴起更是推动着流水线ADC朝着低功耗、高速、高精度的方向发展。而且,随着数字电路的崛起,越来越多的流水线ADC都配以数字校准技术来纠正模拟电路非理想因素带来的误差。本文针对低功耗高速高精度流水线ADC的关键电路模块进行了研究与设计。基于40nm CMOS工艺设计实现了一款应用于通信领域的12bit250MSps流水线型模数转换器。考虑到功耗原因,本设计采用无采样保持电路(SHA-less)结构,并且流水线子级的尺寸逐级递减。本文详细介绍了流水线ADC的工作原理,主要误差来源及解决措施,并且对关键的电路模块进行了系统的阐述。除此之外,本文还介绍了一种基于伪随机噪声(Pseudo-random Noise,PN)注入的后台数字校准技术,该校准技术可以自适应地校准级间增益,有效的提高ADC的精度。而且,该校准技术全片上集成,能够实时跟踪校准,具有很好的稳定性。最终,本设计采用12级流水线结构,其中前11级电路结构相同,均为3bit/级,最后一级为3bit Flash结构。芯片总面积为1310μm×510μm,其中模拟部分的面积为950μm×510μm,数字部分的面积为360μm×510μm。仿真结果显示,在采样频率为250MHz,输入信号频率86MHz,满摆幅1.2V,电源电压1.1V的条件下,经过校准的前仿真结果:SNDR为72.15dB,SFDR为89.85dB;版图后仿真结果:SNDR为72.76dB,SFDR为81.31dB。ADC总功耗为150mW,其中模拟部分功耗为140mW,数字部分功耗为10mW,优值为0.18pJ/step。

关键词： 智能水表   超声波   高精度   低功耗   Lo Ra  

摘要： 本文以高精度、智能化和实用化为目标,重点开展基于时差法的超声波水表关键技术和系统实现的研究,设计实现了一种基于时差法的高精度超声波智能水表样机。本文的研究工作及成果包括:1.超声波流量检测基本原理和技术研究。针对常用超声波流量检测方法,研究了时差法超声波流量检测基本原理并推导流量计算公式,研究了超声波信号计时方法,分析研究了超声波水表精度提升方法。2.超声波智能水表的总体方案设计。综合考虑超声波智能水表高精度、低功耗和数据远传的要求,设计了智能水表的总体方案。研究了温度补偿和数据滤波方法,通过软硬件综合设计实现测量精度的提升;通过合理设计与芯片选型,并调整系统不同状态下的测量频率,实现系统低功耗设计;优选Lo Ra无线通信技术,实现水表终端与云端的数据传输。3.超声波智能水表的系统硬件设计与实现。根据系统总体方案以及高精度、低功耗、功能完整性等要求,设计了基于模块化思想的总体硬件架构;优选STM32L073低功耗单片机作为主控芯片、TDC-GP30高精度计时芯片作为系统核心芯片、WH-L102-C远距离传输模组作为Lo Ra数据远程模块。研究设计了系统电源、红外、LCD显示、电源切换、4-20m A信号输出等模块,完成了样机硬件系统的设计与制造。4.超声波智能水表关键算法及系统软件设计。开展了智能水表高精度算法研究,设计实现了温度补偿算法,提出了一种结合卡尔曼滤波与算术平均的新型数据滤波算法,提出了一种可变阈值-过零比较算法来确定超声波信号计时时间到达,提高了系统稳定性和测量精度;提出了一种自适应功耗管理算法,有效降低了系统功耗;完成了流量温度测量、数据远传、红外通信及LCD显示等功能软件的编写与调试。5.超声波智能水表实验测试与数据分析。采用标准检定装置对水表样机的计量性能进行了实流校准,结果表明精度可达2级水表的要求;通信性能测试结果表明,在1km距离范围内,数据丢包率为零,能够实现水表数据的可靠传输。总体结果表明,研制的超声波智能水表样机的功能、性能和功耗等指标均达到设计要求,满足了工程实用化的需要。