关键词： 乙炔气体传感器   高选择性   变压器故障   MEMS   低功耗  

摘要： 变压器是电力系统中至关重要的设备之一,其正常运行对电网的稳定性和可靠性至关重要。变压器油中溶解的气体种类和浓度的变化可以提供变压器内部故障的重要线索。不同的故障类型与不同的气体种类和浓度相关联,通过对气体含量和种类的分析,可以实现对故障类型的诊断,为预报和预警事故的发生提供指导。根据DL/T 722-2014《变压器油中溶解气体分析和判断导则》所述,变压器油中溶解气体包括H2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CO、CO2。乙炔（C2H2）作为变压器故障诊断中的重要特征气体,精确检测并与其它变压器油中溶解气体进行有效区分,对判断故障是否发生及故障类型至关重要。相较于传统的气相色谱法技术,半导体式气体传感器具有体积小,易集成,操作简单等优势。然而其选择性差,功耗高等问题仍亟待解决。因此,本文针对SnO2基C2H2气体传感器开展了灵敏度、选择性、功耗等方面的研究,主要研究内容如下: （1）通过溶胶凝胶法制备SnO2材料,并通过物理共混的方法对其进行不同比例Sm2O3的掺杂。将所制备的材料制成陶瓷管基旁热式C2H2气体传感器并对其进行气敏特性测试。通过气敏特性测试发现,3 at%Sm2O3-SnO2材料表现出最佳的气敏特性。在240℃的工作温度下,其对50 ppm C2H2的响应值为13.23,响应/恢复时间分别为4 s/223 s,功耗为1.12 W,且该器件具有良好的选择性。相较于纯SnO2材料,3 at%Sm2O3-SnO2材料选择性大幅提升可归因于Sm2O3对材料表面电子分布的调节作用。 （2）针对上述研究中器件仍存在功耗较高、灵敏度较低以及恢复不充分等问题。开展了对上述体系的增感和降低功耗的研究,对3 at%Sm2O3-SnO2进行不同比例PdO的掺杂,制成了MEMS基C2H2气体传感器并对其进行气敏特性测试。通过气敏特性测试发现,1 at%PdO-3 at%Sm2O3-SnO2材料表现出最佳的气敏特性。在163℃的工作温度下,其对50 ppm C2H2的响应值为56.62,响应/恢复时间分别为2 s/136 s,功耗仅为15.5 m W,且该器件具有良好的选择性、重复性。器件灵敏度的提高归因于PdO的电子敏化和化学敏化作用。器件功耗的降低则是由于MEMS器件小型化的结构和工艺。 综上所述,本文通过对SnO2材料先后进行了Sm2O3、PdO掺杂,改善了材料的选择性、灵敏度,并通过改变器件结构实现了功耗的下降。本论文证明了Sm2O3以及PdO掺杂以改善材料选择性、灵敏度的可行性,为构筑高性能乙炔气体传感器提供了可行的思路和方法。

关键词： MIPI D-PHY   高速   低功耗   LDO  

摘要： 随着新一代移动设备对高素质显示要求的提升以及移动设备处理器接口标准化的需求,MIPI(Mobile Industry Processor Interface)协议应运而生。这一协议为移动设备领域带来了革命性的变革,同时为设备间的数据传输和通信提供了高效、稳定的解决方案。由于MIPI高速接口的传输速率和信号质量大部分取决于MIPI D-PHY物理层电路的性能,所以本次的研究主要集中在物理层电路上,而本次设计的物理层电路主要包含高速模块、低功耗模块和电源模块。 在高速模块中,高速发射器主要由一个单端转差分电路和全NMOS桥式驱动电路组成,能够将单端高摆幅信号转化为差分低摆幅信号,实现了低能耗的传输和提高信号的抗干扰能力,为了减低差分信号的共模电压失配,在文中特地对信号传输延时进行了建模;在高速接收器中采用了自偏置结构,不采用额外的电流偏置大大的降低了接收器的功耗,同时能够实现较高的数据传输速率。 在低功耗模块中,低功耗发射器采用了加权推挽发射器来实现电路对不同负载具有不同的驱动能力的要求,控制信号通过译码器连接到发射器的控制开关上,降低了电路的静态功耗。因为低功耗接收器与低功耗冲突检测器的原理都是迟滞比较器,所以此节对迟滞比较器的原理进行了详细的介绍,并采用了两种完全不同的结构来实现接收器电路与检测器电路,体现了电路结构的多样性。 在电源模块中,首先介绍了传统带隙基准源的构成原理,接着提出了一种可以得到与温度基本无关的低压参考电压的基准,同时使用了共源共栅结构提高了输出参考电压的电源波纹抑制能力,最后完成了电路的设计与验证。基于带隙基准源得到的低压参考电压,设计了一种瞬态增强型LDO(Low Dropout Regulator),采用N型MOS管作为稳压器的功率器件,大幅度减低了电路的输出阻抗,提高了LDO的瞬态响应能力,设计的低压电源可以稳定在400m V,输出瞬态仿真波动小于1%,满足高速发射器的要求。 本文基于SMIC 55nm工艺完成了一种MIPI物理层接口电路的设计并仿真验证了它的功能,所有指标满足MIPI D-PHY规范的同时还在部分指标上实现了突破。系统的高速模块单通道的传输速率达到了2Gbps,高于普通的MIPI接口1.5Gbps的传输速率,抖动为5ps,远小于协议要求的32ps,整体功耗为1.4m W。

关键词： 时域CMOS温度传感器   亚阈值区电流   宽感温范围   电阻   张弛振荡器  

摘要： 随着集成电路技术发展,电路系统的集成化成为工业界的发展潮流,将传感器、处理器等系统集成在同一块芯片内,可大幅降低芯片的成本,另一方面,温度作为最常见的环境物理量,获取芯片温度信息可实施芯片热管理。CMOS温度传感器采用集成电路工艺制造,可与其他电路系统集成在一起,更进一步,将多个CMOS温度传感器布置于芯片中,实现多点测温以实施精准热管理,这对CMOS温度传感器的设计提出更高的要求,如低功耗、小面积等。另外,CMOS温度传感器可应用在工业领域等严苛的环境,宽感温范围成为CMOS温度传感器的其中一个重要的发展方向。 本文广泛调研国内外先进CMOS温度传感器,分析对比不同感温器件、不同信号域的温度传感器优劣势,最终提出两种类型低功耗宽感温范围的CMOS温度传感器——MOS型时域CMOS温度传感器和电阻型时域CMOS温度传感器。 基于130nm工艺,本文提出基于MOS感温和电阻感温的两种时域CMOS温度传感器架构（1）MOS型时域CMOS温度传感器的创新点为利用CTAT电压基准和单链路MOSFET感温电流架构结合,扩展MOS型CMOS温度传感器的感温范围,经绘制版图和后仿真验证,芯片整体面积为0.045mm2,整体功耗为62n W。额定工作电压为0.8V,在-40～125℃的感温范围内,两点校准后的误差为+0.5/-0.5℃。（2）电阻型时域CMOS温度传感器的创新点为电阻感温元件和时域温度传感器架构结合,形成结构简单、性能稳定的CMOS温度传感器,经流片和测试验证,芯片整体面积为0.025mm2,整体功耗为169μW。额定工作电压为1.5V,在-40～125℃的感温范围内,两点校准并系统误差去除后的误差为+0.5/-0.5℃,电源灵敏度为4℃/V。

关键词： 低功耗   低峰值平均功率比   高频谱效率   超奈奎斯特传输技术  

摘要： 随着第五代(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)无线通信系统的商用化,宽带无线通信系统已经得到迅速发展并日趋成熟。然而,随着用户对传输速率和业务场景的需求不断增长,以第六代(6th Generation Mobile Communication Technology,6G)为代表的未来移动通信对无线传输技术提出了更高的要求。促使业界发展高效灵活的物理层波形技术,在误码率、频谱效率、峰均比等关键指标之间取得更好的平衡,以满足6G差异化的场景和业务需求。 针对上述研究背景,本文的研究工作主要集中在以下几个方面: 首先,针对上行通信设计对于低功耗的迫切需求,本文深入研究了能提供低峰值平均功率比的波形设计。该研究旨在提高上行通信系统的功率效率,延长设备的电池寿命,并降低射频成本。具体而言,本文探讨了恒包络正交频分复用波形技术在上行传输设计中的应用,并提出了基于压缩扩展技术的低复杂度接收机方案。进而,本文还对该波形固有的带外泄露问题进行了深入分析,并提出了基于N连续的预编码技术优化了上行的带外辐射问题。 其次,为了验证所提出的恒包络波形设计和上行传输技术在实际信道下的性能表现,本文通过实验对所提算法的有效性进行了验证。具体而言,基于恒包络正交频分复用系统的结构搭建了实验平台,并完成了误码率性能测试工作,为波形参数优化提供了实验验证依据。 最后,针对下行通信对高频谱效率的要求,本文研究了基于叠加编码调制的超奈奎斯特传输技术。该技术能够实现更高的数据传输速率和更有效的频谱利用,但其固有的高峰均比和带外泄露成为系统设计的瓶颈。针对上述挑战,本文研究了该系统的峰值平均功率比和带外泄露发端抑制问题,并在收端相应地提出了基于迭代恢复的限幅噪声补偿算法,最后通过计算机仿真,验证了所提出的算法的有效性。 综上所述,本文基于未来移动通信对于波形设计在上下行传输场景的差异化需求,完善了上下行波形设计,并提出一系列波形优化技术,在误码率、频谱效率、峰均比和带外辐射性能方面取得了不同的平衡。本文的研究成果可以为6G通信的波形设计与优化提供理论支撑和方法借鉴。

关键词： 地震观测   数据采集器   低功耗   多路复用   过采样  

摘要： 地震是由于地球内部介质发生急剧形变产生地震波,从而引起地表振动的现象。我国是一个地震比较频繁的国家,地震给人民的生命财产造成了巨大的损失。地震是不可避免的自然灾害,地震预报工作是减少损失的重要措施之一,科学家们一直为之努力。地震观测是预报地震的重要一环,随着这些年地震预报工作的快速发展,对地震观测所用的数据采集器的精度、稳定性、低功耗等要求也在进一步提高。 由于地震观测从单分量观测发展到三分量观测,再到如今的多分量观测,以及地震观测台站布设位置的特殊性,多通道低功耗的数据采集器是现在地震数据采集器的一个发展趋势。本文针对数据采集器低功耗和多通道的需求以STM32+ADC为设计框架,围绕这个框架设计了低功耗的多路复用同步采集结构。主要工作体现在以下3个方面: 第一,针对低功耗的需求,数据采集器的核心是嵌入式系统,因此降低功耗需要从嵌入式系统的硬件功耗和软件功耗两个方面入手。在硬件方面,整个电路的核心是模数转换电路和微处理器控制电路,它们也是整个系统功耗最大的地方,所以模数转换芯片选用了具有低功耗特点的SAR ADC,微处理器选择了在超低功耗模式下功耗低至110n A的STM32U575系列的芯片。在软件方面,通过外部逻辑门完成对ADC的时序约束,最大程度的减少STM32的工作量节省功率。 第二,针对多通道同步采集的需求,本设计综合考虑低功耗的需求,选择了对一个ADC进行多路复用,而不是常规的ADC与通道一一对应的结构,由于地震信号通常在100Hz以内而ADC的采样率远大于这个频率所以能够满足基本功能需求。这种结构既能满足前级设备多通道的需求,又能在低通道使用时通过STM32以调整通道开闭的方式保证ADC的资源不被浪费,具有灵活通道复用特性。因此,选择多路复用的结构完成多通道数据采集器的硬件设计并且解决了这种结构带来的时序错位的问题。 第三,Sigma-delta ADC的特点是高精度,而它的高精度的重要来源之一是基于过采样、噪声整形技术等数字信号处理技术。本设计在低功耗的SAR ADC的基础上,结合Sigmadelta ADC的过采样特性配合相关数字信号处理技术,尽可能做到在实现功能和精度指标的兼顾。 本次实验从理论推导、相关电路原理图设计、控制程序代码的编写和相关数字信号处理这四个方面进行,最终得到了一个低功耗多通道的同步数据采集器结构。论文最后给出了对本课题的研究总结,并对未来的研究工作进行阐述。

关键词： 仿生学   柔性传感器   MEMS工艺   低功耗   可穿戴  

摘要： 柔性传感器具有可塑性、可弯曲、轻量化、可穿戴等诸多优点,在工业制造、人机交互、健康监测可穿戴设备等方向都具有广泛的应用价值。近年来,通过借鉴生物优异的感知能力,探索柔性传感器设计的思路,已成为目前非常热门的研究方向。如典型节肢动物蝎子,其作为一种夜行动物,视觉系统高度退化,感知器官却进化出了远优于其他生物的微应变感知能力,这种感知能力是当前大部分柔性传感器所望尘莫及的。国内外许多学者都对蝎子具有优异感知能力的感知器官(缝感受器)进行了相关研究,但仍没有对缝感受器的缝单元不同几何参数与感知能力的映射关系进行深入研究,导致出现以缝为蓝本的仿生柔性缝传感器设计随机、制备工艺不稳定、性能不统一的问题。本文以蝎子缝感受器的微观结构为蓝本,研究不同几何参数的缝单元与感知性能的映射关系,制备了超敏宽裕柔性缝传感器,进行了传感器性能测试,并将制备的传感器应用在本文设计的可穿戴式低功耗人体健康监测系统上,用于测量多量级的脉搏、呼吸体征信号,主要研究工作如下, (1)本文以彼得异蝎(Heterometrus petersii)为生物模板,通过白光干涉实验对蝎子缝感受器进行应变激励下缝单元的几何观察,分析缝单元几何特征变化规律;为了更深入探究不同尺寸的缝单元对不同幅值应变激励信号响应的区别,搭建了缝感受器电生理实验平台,进行了缝感受器电生理实验,进一步验证了缝感受器几何特征应变响应规律,从而获得缝单元的几何参数与感知灵敏度和感知范围性能的映射关系,即宽深比小的缝单元具有高灵敏度、小感知范围,而宽深比大的缝单元具有低灵敏度、大感知范围。 (2)基于灵敏度和感知范围与缝单元几何参数的映射关系,建立了具有不同宽深比的缝结构传感器在应变激励下的响应模型,并通过模型理论拟合,验证了不同缝宽传感器对灵敏度和检测范围的影响机制,提出了通过组合宽窄缝来实现灵敏度和检测范围性能兼顾的方法。进而对传感器结构进行设计,使用MEMS和FPCB标准化可控工艺,对仿生柔性缝传感器的性能统一的制备流程进行研究,制备了三种不同缝组合的传感器,即仅宽缝、仅窄缝以及宽窄缝组合柔性缝传感器。最后,搭建传感器测试平台,对制备好的传感器进行灵敏度、耐久性测试,测试结果显示,所制备的宽窄缝组合的缝传感器,灵敏度最大为932,应变检测范围最大为0.479%,且宽窄缝组合的传感器灵敏度比仅宽缝的缝传感器大3.5倍,检测范围比仅窄缝的缝传感器大2.9倍,验证了所提出的组合宽窄缝具有超敏和宽裕的性能,经历10000次重复弯曲循环后的性能仍保持稳定,证明所研究的制备工艺可靠且稳定。 (3)设计了可穿戴式低功耗人体监测系统。使用制备的具有宽窄缝阵列结构的超敏宽裕柔性缝传感器,应用于人体多量级体征信号的监测,包括脉搏监测和胸腔收缩呼吸监测。首先是脉搏监测系统设计,包括硬件系统设计、系统功耗测试以及软件设计,设计的PCB大小为,深度睡眠下的运行电流约为27u A。并使用脉搏监测系统对运动前后实验人员的脉搏信号进行监测,可以清晰的观察到脉搏波的特征,验证了超敏宽裕柔性缝传感器对微弱脉搏信号监测的可行性以及脉搏监测系统的稳定性;然后使用脉搏监测系统相同的硬件方案,设计出更小体积的柔性电路胸腔收缩呼吸监测系统,大小为,并进行了系统功耗测试,与脉搏监测系统相同的功耗表现,接着用胸腔收缩呼吸监测系统监测静坐的实验人员的呼吸信号,监测了多个呼吸周期带来收缩应变信号均较为稳定,验证了超敏宽裕柔性缝传感器对胸腔收缩大应变信号监测的可行性以及柔性FPCB系统在可穿戴式应用的稳定性。