摘要： 瑞萨电子集团宣布扩展其超低功耗嵌入式控制器RE产品家族,推出采用瑞萨突破性的SOTBTM(Silicon on Thin Buried Oxide,薄氧化埋层覆硅)制程工艺、基于Arm Cortex-M0+内核构建的新品。该RE01群最新成员搭载256KB闪存,区别于已量产、集成了1.5 MB闪存的现有产品。该全新控制器具备最小3.16 mm×2.88 mm WLBGA封装尺寸,且针对用于传感器控制的更紧凑的物联网设备的产品设计进行了优化,适用于智能家居、智能

关键词： LPC-TDMA   随机唤醒   模拟退火   自适应调整   过载保护  

摘要： 无线自组织网络具有无中心、易部署、分布式和抗干扰的优点,使其在军事和民用方面得到广泛应用。对于使用电池供电的移动无线自组织网络终端,不仅电池容量受限,而且MAC协议的分布式特性也会导致功耗的巨大差异。因此,如何设计低功耗的MAC协议,最大化网络生存时间面临着巨大挑战。本文在TDMA无线自组织网络下进行研究分析,在保证网络吞吐量、时延和丢包率的基础上,研究并设计了低功耗的MAC协议LPC-TDMA。本文首先分析了 TDMA无线自组织网络功耗来源,传统的TDMA协议的时隙通过预先分配方式获取,使邻节点出现频繁的空闲侦听问题,LPC-TDMA协议使用低冲突时隙预约释放机制,在保证低冲突干扰的前提下,减少了邻节点空闲侦听的概率。在TDMA无线自组织网络中,存在多节点同时侦听的情况,使接收节点频繁出现串音干扰问题,LPC-TDMA协议使用伪随机算法控制节点的随机唤醒,同时根据节点间的业务速率,控制接收节点的平均唤醒时隙间隔,使休眠周期进行自适应调整。针对重业务负荷下,节点休眠造成的缓存队列溢出问题,LPC-TDMA协议使用双门限过载保护机制,在重业务负荷时,自动关闭休眠唤醒机制;业务负荷降低后,自动打开休眠唤醒机制,保证了协议的稳定性。然后,针对节点休眠造成数据帧时延增加的问题,LPC-TDMA协议使用Ranking算法实现对数据帧的综合评价,Ranking算法基于时延作为主要影响参数,会优先发送时延大的数据帧;同时基于模拟退火算法实现数据帧的聚合,用以解决节点休眠带来的时延问题。最后,本文详细描述了LPC-TDMA协议的分布式实现方式,分析了 LPC-TDMA协议对吞吐量、时延、丢包率、控制开销以及网络生存周期的影响。本文使用OPNET对LPC-TDMA协议进行计算机仿真,并与TDMA和T-MAC协议进行对比分析。仿真结果表明,LPC-TDMA协议在轻业务负荷时会提高接近2倍的生存周期,在中等业务负荷时可以提高0.5倍的生存周期。LPC-TDMA协议对吞吐量、时延和丢包率只有轻微的影响,明显低于T-MAC协议。同时LPC-TDMA协议可以适应各种业务负载、网络规模,具有较强的稳定性。

关键词： 相变存储器   电化学沉积   纳米线   结构优化   低功耗  

摘要： 相变存储器(phase change memory,PCM)是最具潜力的新型存储器之一,在速度、集成度等方面具有显著优势,但其大规模应用仍受功耗较大等因素制约。目前主要通过一些新型结构设计减小接触面积来降低功耗,但往往引起工艺成本的大幅度增加,本文通过引入电化学法制备相变材料,可灵活调控沉积材料的结晶形态,无需额外的光刻工艺即可制备出小尺寸相变纳米线,从材料优化角度最大限度地降低PCM功耗。论文的主要内容包括:(1)系统地研究了相变材料的电化学制备工艺,优化得到结晶良好、纯度较高的BiTe相变纳米线。比较了不同衬底制备出的晶粒大小,优先选取耐腐蚀、粒度小的衬底进行沉积;研究了反应PH值对材料致密度的影响,并通过添加EDTA络合剂提高材料的结晶程度;优化了制备提纯步骤,大大减少了样品内的杂质数量。(2)针对基于电化学法的BiTe纳米器件制备难点,设计并比较了FIB加工、介电电泳法及分散法制备纳米线横向器件的方案,最终通过分散法制备出了性能稳定的纳米线存储器件。所制备的器件表现出超低功耗特性(Reset功耗9 f J),同时还能保持较大的高低阻比值以及良好的循环特性。(3)基于微观表征和第一性原理计算研究了上述BiTe纳米相变存储器件的工作机制。通过透射电镜观测到纳米线中存在特殊的晶态/非晶交叠结构,并采用第一性原理计算发现这种交叠结构可能是由于沉积过程中引入的C基团阻碍了结晶过程,增大了器件晶态电阻,使得器件功耗显著降低,在此基础上进一步阐述了该类器件中的失效机制。

关键词： 低功耗广域网络   信道接入   流量预测   指纹定位  

摘要： 专用低功耗广域网络由行业或者企业部署运维，和运营商网络相比有干扰更多、维护投入低等特点，相应的网络优化技术还没有充分研究。其中网络接入容量、网络流量状况和节点位置，是应用中受到关注的问题。本文针对专用低功耗广域网络的接入性能、流量预测、节点定位的优化技术进行研究。具体研究工作及创新点概括如下:　　(1)针对大量物联网节点接入的问题，提出了基于信号质量和节点距离的扩频因子分配算法及分簇的强化学习信道接入算法，提高系统吞吐量、降低数据传输的能耗。　　(2)采用压缩感知的自适应采样间隔网络流量重构算法重构网络流量，在此基础上，采用融合卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)和长短时记忆网络（Long Short Term Memory Network，LSTM）的方法提取低功耗广域网络流量矩阵的时空维度特征，实现更精准的网络流量预测。　　(3)针对专用低功耗广域网络特点，本文通过流形学习获取大量易采集的无标签数据（没有包含位置信息）的时空关联特征，结合少量的标签数据，提出一种半监督流形学习位置指纹库构建方法。在此基础上使用到达时间差方法对目标位置物理空间进行粗筛选;然后在目标区域采用指纹匹配算法获得多个待定位点，选择信号距离最小的位置作为最终位置，大大降低了指纹特征查询的复杂度。　　本文提出了专用低功耗广域网络优化关键技术中关于网络接入、流量预测、网络定位的改进算法。通过系统仿真、实际测试对比等方法，验证了本文改进的算法改善了专用低功耗广域网中的信道接入的容量问题、性能优化中的流量预测问题、低成本高精度定位问题。本文的研究成果将会为专用低功耗广域网络的性能优化、定位应用等提供一定的理论基础，并对解决专用低功耗广域网络应用中的实际问题具有很好的参考价值。

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： 低功耗   低压差线性稳压器   All-CMOS带隙基准   动态自偏置   过冲抑制  

摘要： 便携式电子产品的普及使电源管理芯片成为IC行业重点关注的对象之一。随着电子产品的快速升级换代,以及电源管理市场的扩大,电源管理在集成电路领域中占据重要地位。作为直流电源管理芯片的一种,低压差线性稳压器具备成本低廉、输出噪声低、高精度、结构简单等优点,可为系统中用电模块提供高质量的电源电压,有不可替代的地位。因此,在保证成本低廉和高集成度的前提下,需要研发新的功耗低、高稳定性、响应速度快的电源管理芯片。本文着重于低功耗LDO的设计与研究。论文中叙述了低压差线性稳压器的结构和性能参数,给出折中关系为电路设计提供理论基础。针对低功耗LDO,提出采用亚阈值工作状态的All-CMOS带隙基准和动态自偏置技术,降低电路的静态电流;为优化瞬态响应加入过冲抑制电路,降低输出过冲电压。动态自偏置技术通过采集功率PMOS的负载电流,提高误差运放的静态电流,实现负载变化时电路结构的转变,提高重载下的瞬态响应及电流利用率。过冲抑制电路可以对负载电流和电源电压发生瞬时变化时,对过冲电压进行下拉或上拉。文章分析了传统带隙基准原理和影响因素,介绍All-CMOS基准的亚阈值工作原理,提出电路设计并推导出基准电压公式。LDO设计方面,介绍LDO拓扑结构及常用的频率补偿方法,针对动态自偏置技术而发生结构变化时的环路稳定性进行分析;电路设计分模块讲述电路原理及设计重点。电路基于SMIC130nm工艺设计实现,仿真结果展示在满载50mA、1.2.3V的输入电压下,输出电压1V,压差电压150mV,轻载100nA下静态电流约2.5μA;多工艺角环路仿真相位裕度大于60°;负载瞬态响应的下冲建立时间约300ns,上冲建立时间约400ns,上冲和下冲电压约50mV;设计实现低功耗、高稳定性,优化了瞬态响应。仿真后介绍电路版图设计流程,以及在版图设计时所需注重的问题,最后给出电路版图和结论。

关键词： 运算放大器   轨到轨   双极型工艺   低功耗  

摘要： 运算放大器是模拟集成电路中最基本的组成部分之一,其性能好坏影响着整个电路系统的性能表现。随着便携式电子产品的逐渐普及,低电压、低功耗运算放大器成为模拟电路领域的一个研究热点。由于较低的电源电压和电源电流会降低运放的动态范围和噪声性能,使得低电压、低功耗系统对运算放大器提出了更高的要求。为了得到最大化的动态范围,需要对传统运放结构进行改进,使运放能够处理负电源轨到正电源轨的电压信号。因此对低功耗轨到轨运算放大器的研究具有重要意义。本文介绍了功耗与噪声、稳定性之间的折衷关系,分析了双极型工艺在低功耗设计中具有的优势,并研究了轨到轨恒定跨导输入级和轨到轨输出级的基本原理。结合相关理论知识,本文设计了一款基于双极型工艺的低功耗轨到轨运算放大器。偏置电路采用峰值电流源提供基准电流;输入级使用一个电流开关结构实现恒定跨导,并采用开关管串联电阻的方法扩展过渡区范围,进而提高过渡区的共模抑制比;中间级采用折叠式共射-共基结构提高运放的开环增益;输出级采用AB类共射极结构实现轨到轨输出电压摆幅。本文所设计的运算放大器采用中科渝芯WC40S双极型工艺,并使用Cadence Spectre仿真工具对电路进行仿真验证。仿真结果表明,运放的共模输入电压范围和输出电压摆幅达到轨到轨输入/输出要求。室温下,静态电源电流为346μA,开环增益为115.9d B,单位增益带宽为3.08MHz,相位裕度为65.6°,共模抑制比为131.8d B,正、负电源电压抑制比分别为131.3d B和136.7d B,正、负压摆率分别为1.02V/μs和1.2V/μs。最后,完成了四通道运算放大器的版图设计并进行流片测试,测试数据基本符合仿真结果。运放的失调电压处于100μV300μV之间;在1k Hz时测得的等效输入噪声电压密度处于20～30n V/Hz1/2之间。以上结果表明本文设计的运算放大器达到了预期的指标要求。

关键词： 氧化物薄膜晶体管   铟钨氧化物   双电层   突触仿生器件   低功耗   柔性器件  

摘要： 目前氧化物薄膜晶体管具有高迁移率、高透光率、高电流开关比、低工作电压等优点而受到广泛关注。最常使用的非晶铟镓锌氧(a-IGZO)具有较好的光透过率和电导率,但a-IGZO中的GaO和Zn O不耐酸,在湿法刻蚀工艺过程中敏感,器件缺乏稳定性。近年来,科研人员发现非晶铟钨氧(a-IWO)具有较高的键解离性和较好的耐酸性,同时具备高稳定性和高迁移率的特性。因此IWO基薄膜晶体管已应用于平板显示、传感器等领域。此外,利用具有双电层效应的电解质作为栅介质层制备的薄膜晶体管器件具有较大的栅电容,只需要很小的工作电压就能驱动器件,产生的功耗也更低,有利于发展便携式设备。近几年,受人脑的启发人们试图从底层出发构建类似于人脑神经网络的电路。所以在仿生器件领域,薄膜晶体管可以用来模拟生物突触实现突触功能。本文中,成功的在导电玻璃衬底以及柔性纸张衬底上制备了以IWO作有源沟道层、壳聚糖电解质溶液作栅介质的双电层薄膜晶体管。制备过程主要为:先在衬底上蒸镀一层底电极;然后在底电极上旋涂一层壳聚糖电解质做栅介质;再利用磁控溅射法沉积IWO沟道层;最后使用热蒸镀法沉积Ag薄膜作为源漏电极。使用半导体参数分析仪对器件进行电学性能测试。测试结果如下:玻璃衬底上的IWO基的双电层薄膜晶体管电学性能良好,器件的阈值电压是0.6V,电流开关比为5*10、场效应迁移率为18 cmVs、亚阈值摆幅为111 m V/decade。我们测试了IWO-TFT作为反相器的传输特性曲线,证实器件具有较好的开关能力;以柔性纸张为衬底的IWO基的TFT器件也具有良好的电学性能,其阈值电压是0.2V,电流开关比为1.3*10、场效应迁移率为15 cmVs、亚阈值摆幅分别为117 m V/decade。我们还利用柔性IWO-TFT实现了反相器、NAND门、施密特触发器。此外,由于双电层TFT的离子相关的双电层调制原理类似于神经突触的信号传递过程,所以我们还将IWO-TFT作为神经形态晶体管,实现了其仿生功能。综上所述,我们在室温下制备的低压IWO基的双电层薄膜晶体管在柔性电子学、突触仿生器件、集成电路、传感器等领域具有应用价值。

关键词： 低功耗蓝牙   智慧校园   安全加密与认证   蓝牙5.0  

摘要： 随着信息技术在教育行业中的不断创新和使用,智慧校园建设也从高校逐步向中小学扩展。特别是近年来人工智能技术和物联网技术发展迅速,以两者相结合的新型物联网技术为中小学的智慧校园建设提供了新的契机。而低功耗蓝牙技术以其成本低、续航能力强的特点为物联网系统所广泛采用,智慧校园系统也不例外。智慧校园系统主要由云平台、蓝牙网关和外围嵌入式设备三部分组成。蓝牙网关移植了支持蓝牙5.0的Blue Z协议栈。其设计和实现主要是为了解决智慧校园系统中嵌入式设备难于管理的问题,方便云平台对底层设备的管理和信息采集。蓝牙网关采用了三层的软件结构设计,自下而上分为系统层、数据通信层和应用层。基于此,主要工作内容包括蓝牙数据通信的实现、数据安全和设备认证、应用层的实现。首先在蓝牙数据通信方面,对蓝牙连接通信进行了缓存的设计,优化了连接通信过程。另外,为方便上层应用的使用对数据通信接口进行了封装,并针对蓝牙网关的业务需要对数据包格式进行了设计。在搭建起蓝牙通信后,着眼于通信安全层面,首先详细研究了蓝牙核心规范中的安全与认证手段,之后对智慧校园蓝牙通信的安全漏洞进行分析并根据智慧校园中蓝牙设备的特点,对低功耗蓝牙广播和连接通信分别给出了合适的加密方案,并设计了设备认证机制。最后对于蓝牙网关的应用层进行了介绍,首先确定了应用开发时跨进程通信的技术方案的选择。然后对设备考勤、设备校时、数据透传和固件升级4种经典应用结合其流程图,阐明了应用的作用和实现的详细流程。测试结果表明基于以上设计的智慧校园蓝牙网关功能正常,可以满足使用需求,具有一定的实用性价值。

关键词： 工业物联网   无线通信   编码器   低功耗  

摘要： 随着工业物联网的高速发展,传统工业开始向着智能化方向发展,在这个过程中,对个层级之间信息的无线传输有着更高的可靠性和时效性要求。在无线通信系统中,信道编译码具有检查、纠错的功能,因此,可以提升信道传输中的抗干扰能力,降低误码率,提高信息的可靠性。由于编码器是无线通信系统中不可缺少的一部分,且功能较复杂,因此将编码器进行硬件实现后集成到数字电路中成为了现在主流的做法。随着数字集成电路集成度的提高,芯片的功耗越来越大,甚至于会影响其性能,对芯片封装技术、电源制造技术也带来很大的挑战。因此,低功耗编码器的设计对降低芯片功耗、提升芯片性能有着重要作用,对信息传输的可靠性、时效性有着更大的保障,对工业的智能化发展有重要意义。本文通过对信道编码工作原理、集成电路功耗来源的研究,用Verilog语言对信道编码进行硬件实现。在架构设计中采用了模块复用的方法,尽量减少资源的消耗,以降低功耗、提升性能。另外,在编码器的顶层设计中还加入了门控时钟低功耗技术,将非工作状态模块的时钟信号从顶层根部直接关断,最大程度地降低模块内部的无效翻转,从而降低了编码器的动态功耗。为验证编码器功能的正确性,本文在Linux系统下搭建了仿真验证环境,仿真验证结果表明编码器的功能正确。最后,本文做了前端flow流程,包含DC综合、PTPX时序分析、Formality形式验证、Spyglass检查,对编码器的功耗、主频、面积、吞吐率进行了性能分析,达到预期性能指标,并且输出可供后端流片使用的门级网表。