基于谐振式MEMS传感器的仪表开发关键技术

针对基于谐振式MEMS传感器开发数字智能仪器仪表的高精度、快响应频率测量技术展开研究。以一谐振式MEMS气压传感器为开发样件,其差分输出是两路40～70 kHz之间的正弦频率信号。对传统的频率测量方法进行阐述分析,提出一种新的结合传统测频方法各自优点的频率检测方法。设计实现相关软、硬件,搭建测试系统,实验结果表明该测频方案针对40～70 kHz的频率信号误差小于±0.02 Hz,响应时间为1 s以内。     

集成一次性微流控芯片的便携式荧光检测系统

本文研究了一种新型的生物化学分析系统,该系统包括便携式荧光检测仪和带光纤的微流控芯片．采用基于MEMS技术的微泵将待测物与荧光试剂的混合物导入微流控芯片,采用PMT检测受激发产生的荧光,荧光强度与待测物浓度成一定比例．激发光则通过光纤将光源LED光信号导入微沟道中．随着液体在微沟道中的流动,可连续分析和检测不同的样品．该系统检测1～1000μg／L浓度的荧光素具有0．966的相关系数．基于荧光猝灭原理,该系统还可检测浓度为5ng／μL的硝基化合物．该生化分析系统除具有便携式和一次性微流控芯片优点外,还具有成本低．试剂、样品消耗量少,且分析时间短等优点该系统能实现现场检测,可应用于临床诊断、环境检测及生物战剂检测等领域     

一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟87Rb蒸汽腔

碱金属蒸汽腔是芯片原子钟（CSACs）中重要的核心部件之一,其微型化制造具有重要的实用价值,同时也非常具有挑战性。采用MEMS 技术批量化制作了具有双腔结构的芯片原子钟87Rb 蒸汽腔阵列。在阳极键合过程中,通过原位化学反应产生纯净的87Rb 元素蒸汽,缓冲气体（N2）采用反充的方法充入到87Rb 蒸汽腔内以保证缓冲气体的压强可以精确的控制。所设计的双腔结构可以防止原位化学反应中产生的杂质阻挡光路,从而能够提高探测到的光信号的强度。通过原子钟桌面系统测试,得到了87Rb 元素D1 线的光学吸收谱和用于芯片原子钟锁频的误差信号,在90℃时,87Rb 元素D1 线纠偏信号的线宽（波峰与波谷间距）可达到0.53 kHz。测试结果表明,双腔结构的87Rb 蒸汽腔满足芯片原子钟或其他芯片级原子器件的设计要求。     

第二代静止轨道气象卫星用多波段红外探测器封装及性能

第二代地球静止轨道（GEO）气象卫星用于定量化气象预报,中国已经成功研制出该卫星。卫星上扫描辐射计的探测波段从第一代风云二号的四个增加到现在的十四个,十四个波段中有八个是红外波段,覆盖了短波到甚长波的红外波段。这八个红外波段由三个组件来实现,分别是短波双波段组件（MS-IR）,水汽双波段组件（WV-IR）和长波四波段组件（LW-IR）。MS-IR组件内包含两个81光伏型的MCT探测器芯片,及相对应的两个用于光电输出的电压信号转换和放大的CMOS低温放大器。WV-IR包含两个41 MCT探测器芯片。LW-IR包含两个41和一个42 MCT探测器芯片。这些组件具有较高的电学和光学特性,如MS-IR的D*可达11012 cmHz1/2 W-1。WV-IR的D*优于81010 cmHz1/2 W-1。这八个波段的响应谱均实现了定量化控制,即响应谱控制在给定的内部和外部限制边内。对组件进行了狭缝扫描测试,结果表明组件内部没有明显的光学串扰。没两个波段间的配准精度优于0.01 mm。文中描述了这些组件的结构以及达到的性能,如电性能,芯片配准,光学串扰和光谱响应。     

角度调谐短波红外光谱组件光谱分辨率特性研究

介绍了一种工作于1 355~1 555 nm的新型多通道短波红外光谱组件,并以理论和实验相结合的方式定量研究了入射角度对光谱组件各通道中心波长的影响.实验结果表明,在0~10°斜入射条件下光谱组件各通道中心波长呈现不同程度的短波方向偏移现象,偏移程度与入射角度呈正相关.分别绘制出理论和实验中心波长偏移曲线,实验发现在入射角为5°和10°时中心波长平均偏移幅度约为5.7 nm和18.67 nm.此外,参照实验得出的角度偏移曲线对两次不同入射角度条件下的光谱进行插值整合,成功地将光谱组件分辨率从7.5 nm提高到3 nm;在此实验基础上提出了通过改变入射角度发展一种多通道角度调谐光谱组件,进而利用此方法提高光谱组件的测试分辨率.该结论对后续设计光谱组件入射光学系统和提高光谱组件测试分辨率具有一定指导意义.     

低电压下静电力驱动的数字微流控芯片

设计并制作了一种基于静电力驱动的数字微流控芯片,用于构建芯片实验室.介绍了静电力驱动原理和芯片制作工艺流程,搭建了驱动检测实验平台.该芯片采用硅作衬底,氧化硅作绝缘层,TiW/Au为驱动电极阵列,氮化硅作介质层,碳氟聚合物为疏水层.由于采用开放式的结构,只需单层共平面控制电极,简化了工艺流程,优化了器件结构;而驱动电极...     

一种单一增益下实现红外探测器大动态范围读出方法研究

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB, 为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。     

单光子探测InGaAs雪崩焦平面像素级高分辨率低误码时间数字转换电路

单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景,InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度,通过计量光子飞行时间实现距离探测,时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度,是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC）,采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享,基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时;中高段位每个像素独享,中段位采用分频计数器降低时钟频率,降低阵列整体功耗,高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 μm CMOS工艺流片,实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns,积分非线性?0.4~0.6 LSB,微分非线性?0.4~0.4 LSB,TDC转换单调,有效量程位数13位,20 kHz帧频功耗380.5 mW。     

聚二甲基硅氧烷球形微腔阵列的数字PCR芯片

数字聚合酶链式反应(dPCR)技术是一种核酸绝对定量技术,但现有dPCR平台因其昂贵的设备或复杂的操作限制了其实际应用.利用气体膨胀浇注成型技术,结合集成微腔阵列的模具,设计、制作了一种成本低廉、简单可靠的dPCR微流控芯片.独特的球形微腔为液滴存储提供了更稳定的几何形式,保证了样品数字离散化的可靠性和稳定性.同时,芯片还利用预脱气的聚二甲基硅氧烷(PDMS)实现自动进样和样品离散化,大大降低了对复杂昂贵设备的依赖,且提供了更高集成度.利用芯片进行了EGFR基因第19号外显子数字PCR定量检测,验证了该芯片的实用性.     

基于微球和微柱阵列芯片的乳滴数字PCR定量方法

BEAMing是一种基于磁珠表面核酸扩增的乳滴数字聚合酶链反应(PCR)技术,具有很高的灵敏度,然而后续检测目标磁珠比较困难.通过修饰链霉亲和素的聚苯乙烯微球捕获BEAMing实验中生物素修饰的目标磁珠并利用微柱阵列芯片拦截微球,可以达到统计磁珠的目的.微柱阵列芯片采用基于尺寸差异的拦截原理.该芯片组装简单成本低,降低了BEAMing技术的磁珠统计难度.利用该方法对不同浓度的特定DNA序列做了检测,验证了该方法的实用性.