基于MONTE-CARLO模型的细胞传感器纳米颗粒表面处理分析

离体生物传感器的微型和集成化为细胞电生理研究提供了有力手段.当前微电极阵列表面纳米粒子处理的相关量化分析尚为欠缺.着重采用Monte-Carlo模型判断单层/多层纳米粒子膜与电极耦合的有效性,讨论异质的单一或不同粒径分散度(50～500 am)的纳米粒子分层贴附处理于电极上,从二维、三维模型角度分析纳米粒子表面处理的有...     

高速大容量DDR微系统过孔串扰研究

随着高速数字微系统中DDR总线信号传输速率与系统集成度的不断提高,过孔串扰问题成为影响系统信号完整性的不可忽视的因素之一。基于电磁耦合理论,通过建模仿真方法量化分析了过孔串扰的主要影响因素以及串扰噪声对信号质量的影响,在此基础上提出了过孔设计的主要原则以及减小串扰噪声的优化设计方法;介绍了一种正反面腔体结构系统级封装的信号处理微系统基板,结合JEDEC标准对DDR3总线进行了仿真分析与评估,通过以上方法优化过孔串扰大大改善了DDR总线的信号完整性,验证了该方法的正确性与有效性。     

经验模态分解算法在角位移传感器信号去噪中的应用

当多个角位移传感器工作在多个电平时,线路间的串扰会导致内部噪声,影响传感器信号输入和输出。设计了角位移传感器线间串扰信号的多层分解去噪方法。在计算角位移传感器信号线间的串扰电压后,分别计算电容耦合和电感耦合的总串扰电压。利用经验模态分解算法对传感器信号进行逐层分解后,得到一定量的残差项和信号分量（IMF）,并将其相加生成新的信号。重复分解计算产生新的信号,然后计算信号分量（IMF）中包含的串扰信号,并根据硬/软阈值消除串扰噪声。仿真结果表明,所设计的方法可以有效地消除角位移传感器线间串扰信号噪声的影响,使传感器采集的角位移测量电路的电压信号更接近无串扰的电压信号,从而保证角位移传感器信号的有效性。     

远端串扰下永磁探测电路相位鉴频特性测量

压电式永磁探测电路广泛应用在远程目标探测系统中,其在远端串扰下的相位鉴频特性准确分析可提高探测系统的测量精度。传统方法采用红外和声脉冲等探测进行电路相位鉴频特性测量控制,在强磁场中曲线趋于饱和,测量性能不好。提出一种基于引入正弦脉宽调制控制的端串扰下压电式永磁探测电路相位鉴频特性测量方法,并进行系统设计,首先进行压电式永磁探测电路系统设计,采用自适应噪声抵消方式处理远端串扰的干扰,设计远端串扰下压电式永磁探测电路,通过相位鉴频特性测量分析,实现电路的混频、倍频等频率变换,完成远端串扰下电式永磁电路的相位鉴频特性测量控制。系统测试结果表明,该测量方法和系统具有较好的远端串扰抵消性能,准确分析电路系统的相位鉴频特性,远程目标探测准确率提高,性能优越。为远程目标探测系统设计提供了硬件电路系统设计基础。     

电快速瞬变脉冲群串扰耦合分析及防护措施研究

EFT产生的瞬态脉冲干扰可通过电缆耦合进入电子系统的内部,损伤电子设备。为降低瞬态脉冲对电缆串扰耦合的影响,首先利用电磁仿真软件CST建立平行电缆耦合仿真模型,当电压等级为4 kV时,测试电缆的近端串扰电压达到71.2 V,远高于部分敏感器件的阈值;然后通过分析电快速瞬变脉冲群的频谱特性,瞬态脉冲的干扰能量主要集中在1～10 MHz的范围内;最后利用仿真软件Filter Solution设计合理的防护电路。结果表明,防护电路能有效降低瞬态脉冲对电路的影响。     

面向串扰时延效应的时序分析方法及在集成电路测试中的应用

随着特征尺寸进入纳米尺度,相邻连线之间的电容耦合对电路时序的影响越来越大,并可能使得电路在运行时失效.准确和快速地估计电路中的串扰效应影响,找到电路中潜在的串扰时延故障目标,并针对这些故障进行测试是非常必要的.文中提出了一种基于通路的考虑多串扰引起的时延效应的静态时序分析方法,该方法通过同时考虑临界通路及为其所有相关侵略线传播信号的子通路来分析多串扰耦合效应.该方法引入了新的数据结构"跳变图"来记录所有可能的信号跳变时间,能够精确地找到潜在的串扰噪声源,并在考虑串扰时延的情况下有效找到临界通路及引起其最大串扰减速效应的侵略子通路集.这种方法可以通过控制跳变图中时间槽的大小来平衡计算精度和运行时间.最后,文中介绍了在基于精确源串扰通路时延故障模型的测试技术中,该静态时序分析方法在耦合线对选择和故障敏化中的应用.针对ISCAS89电路的实验结果显示,文中提出的技术能够适应于大电路的串扰效应分析和测试,并且具有可接受的运行时间.     

防串扰的3D芯片TSV自动布局

为了防止3D芯片中的硅过孔(TSV)串扰,提出一种TSV自动排布算法.该算法结合TSV串扰的机理,利用Comsol证明了通过接地TSV解决屏蔽方法的有效性,完成了对接地TSV屏蔽效果的量化;提出电源/接地TSV和信号TSV自动排布算法,其中考虑了不同类型TSV比例和工艺最小间距对3D芯片性能的影响.最后利用IBM基准电路进行仿真,结果表明,文中算法可以防串扰的目的对电路中TSV进行自动布局.     

细胞阻抗传感器优化设计及其在毒素监测中的应用

介绍我们设计的微结构细胞阻抗传感器,采用微电子加工技术在硅基底上制作了以叉指结构金电极为工作电极的传感芯片,将脐静脉内皮细胞系ECV304培养和固定在器件上,进行连续的细胞阻抗监测。研究细胞阻抗随频率和时间改变的定量关系。结合细胞贴附前后的叉指电极等效电路模型,进一步分析细胞贴附对阻抗变化的影响,给出细胞阻抗传感器的优化设计方法。最后,采用该细胞传感器对有毒素进行实验分析,分析毒素对哺乳动物血管的毒性作用,初步的实验结果表明,该设计的细胞阻抗传感器具有实时无标记快速检测的优点,可应用于毒素监测等生物医学领域。     

DDR4并行互连传输串扰特性仿真与分析

为满足高带宽存储应用需求,访存速率和互连密度越来越高。DDR4作为主存领域应用广泛且速率较快的并行存储互连技术,上升/下降沿时间或低至百ps量级,信号间串扰不容忽视。以某DDR4驱动模型和板级嵌入式应用为研究对象,建立多线打扰模型,从时域角度仿真分析布线间距、打扰源相位、数据速率、耦合传输线长对带状线传输串扰的影响。结果显示：5倍介质厚度布线间距条件下串扰接近于0 mV,不同相位关系打扰源形成的总串扰具有成倍双向差异。对于特定访存速率,耦合传输线长度与串扰极值存在周期性对应关系,据此合理设计DDR数据组线长,可以有效规避串扰极大值。     

基于微加工技术的集成细胞芯片的实验研究

细胞电生理检测芯片已成为后基因时代生物科学研究的重要工具,但是目前的细胞胞外电生理测试工具发展迅速,但存在功能单一化、指标不够稳定的缺点,如信噪比较低,难于重复与对照,且不能实现多参数同时检测,已成为细胞电生理快速分析发展的瓶颈。集成型细胞芯片通过传感器件的网络化和集成化,将细胞的电学信息、化学信息、动力学信息等生理活动信息转换为可检测的信号,并细化为微观信息量进行实时分析,实现快速微量的细胞功能信息和待测物质性质的检测,在细胞生物学、环境监测和药物开发等领域有广泛应用前景。本文设计了一种新型的集成了细胞微电极阵列、电阻抗传感器及光寻址电位传感器三个传感单元的阵列化芯片,首先分析了各单元用于细胞电生理测量的界面模型;在此基础上重点分析了各细胞传感器单元的特性曲线测试、表面处理测试,并初步进行细胞电生理参数的分析。结果显示,MEA加入测试液测试后,噪声水平在80μV左右,且器件适于细胞培养及动作电位测试;IDA器件上培养的肾细胞在药物作用下会引起细胞阻抗变化率12%～16%的变化;LAPS器件的酸化率灵敏度在50.65mV/pH,在肾细胞酸化率测试中,高浓度5-氟尿嘧啶会引起的细胞正常代谢率下降(相对酸化率下降50%)。说明药物浓度越大,作用时间越长,对细胞的活性影响越大,这与IDA器件的测试结果一致。最后得到了在器件特性、系统优化及细胞测试的一些初步结果,对芯片进行了芯片各单元的互补性分析,为细胞传感器的多功能化发展开拓了一个新的应用领域。     

Distributions of the potential and electric field of an electrode elliptic array used in tumor electrotherapy: Analytical and numerical solutions

To estimate the potential and electric field generated by any electrode array is very useful in effective tumor destruction. At present, an electrode array that takes into account the ellipsoidal geometry of the solid tumors has not been proposed. We present both analytical and numerical solutions for the potential and electric field in a solid tumor established by an electrode array with elliptic shape which may be used in vitro, in vivo and in clinical studies for cancer treatment with electrotherapy. These analytical and numerical solutions are obtained using multipole expansion and the finite difference method. Distributions of potential and electric field magnitudes are computed in function of the eccentricity of an elliptical array and compared with those obtained with a circular array of electrode. Maximum difference and Root Means Square Error are used to compare the distributions of the potential and electric field in leading-order and first-order correction and between the analytical and numerical solutions. The results show a good agreement between these distributions in both orders and the analytical and numerical solutions. It was concluded that the mathematical approach presented in this study is a tool for a rapid design of electrode elliptical arrays in order to induce the maximum destruction of the tumor. Moreover, it is shown that, for all values of eccentricity, there is a good correspondence between the distributions of the potential and the electric field for leading-order and first-order correction and for both the analytical and numerical solutions.     

电导法原油含水率测量传感器的模型优化与仿真

电导法原油含水率测量是基于阵列电极传感器的一种测量方法,电极系的结构与参数对传感器性能有着重要影响.拟研究电极系传感器结构的优化设计方法,在建立传感器电场分布理论模型的基础上,利用ANSYS有限元软件仿真电极系传感器不同参数下的电场分布,分析电极环宽度、激励电极对间距、测量电极间距等参数对传感器性能的影响.依据仿真结果,确定传感器的优化参数,并对传感器进行了灵敏度的模拟测试,测试结果显示:传感器灵敏度仿真结果与实际测试结果一致性较好;在高含水(大于85%)的油水两相流含水率测试精度可达3%.测试结果验证了传感器理论和仿真分析方法的有效性,为优化设计传感器提供一种有效的方法.     

Study on interaction between macrocell and microcell in the early corrosion process of reinforcing steel in concrete

An array electrode technique was developed as a novel electrochemical method for studying the interaction between macrocell and microcell in the early corrosion process of reinforcing steel in cement mortar.The corrosion potential and galvanic current of macrocell corrosion of the reinforcing steel in cement mortar were imaged by the array electrode technique during the corrosion initiation and propagation.It was certified that the corrosion macrocell current is closely related with the difference of corros...     

三维神经微电极阵列新制作技术研究

尝试了一种低成本的三维微电极阵列微加工的新方法.玻璃划片形成的柱状阵列,经掩膜腐蚀后形成阳模板,再利用PDMS的微复制技术形成阴模板.利用阴模板进行电镀,可以得到三维微电极阵列.制作的铜电极阵列高度约180 μm,为制作更长的神经微电极阵列打下了基础.     

阵列式多针-柱电极装置实现离子风的实验与分析

为了实现一定气体流速的离子风,设计了一种新型的阵列式三排3 ×3垂直放置的针-柱电极结构放电装置.在针-柱之间间距为3mm、排与排之间间距为8 mm、镇流电阻12 MΩ、放电电阻12 MΩ、测试电阻1 kΩ、大气压环境、室温、无外部通入气流时,阵列式针-柱电极实现了稳定的电晕放电,并通过示波器记录的放电波形、数码相机拍摄的发光图像以及放电伏安特性曲线进行了验证.同时,随着阵列式排数的增加,放电电流变大,离子风风速也随之增大.该针-柱结构易于用MEMS工艺加工制作,可应用于便携式分析仪器中.     

双阵列式电容传感器特性研究

针对电容层析成像技术的局限性,提出了新型双阵列电容传感器。利用传感器相邻极板灵敏度不均匀的特点,通过测量相邻极板电容以获得传感器内部局部浓度,重建管道内部传感器截面的相浓度分布。建立有限元模型,对不同电极数的电容传感器结构进行分析,研究了管道介电常数、电极覆盖率等传感器参数对灵敏场不均匀度的影响,得出优化的传感器参数。实验结果显示,该方法可以有效获取传感器截面局部浓度。     

A multi-scale electrode array (MSEA) to study excitation-contraction coupling of cardiomyocytes for high-throughput bioassays

Excitation-contraction coupling, a process of linking electrical activity to contraction, is the basis of cardiac function at cellular level. Here we developed a multi-scale electrode array (MSEA) as an in vitro platform to synchronously monitor excitation and contraction of cultured cardiomyocytes. The electrodes of MSEA were with sizes ranging from several tens of micrometers to about 1 mm and were classified into type_1, type_2 and type_3 by their electrode area. The former two types of electrodes were electroplated with platinum black to reduce baseline noise and no extra treatment was done on type_3 electrodes. In experiment, the micrometer-scale electrodes recorded extracellular field potentials like generally used multielectrode arrays and especially, the millimeter-scale electrodes recorded a “hump” followed after extracellular field potential. By analyzing temporal behavior of hump and observing its change under treatment of microtubule inhibitor vinblastine, it was verified that the hump expressed mechanical contraction of cardiomyocytes. In addition, we analyzed that the pathway of contraction recording was through cell-electrode contractile coupling, in which charges at electrode-electrolyte interface were reestablished due to contractile behavior of cellular layer and then the hump was formed. Finally, the dependence of amplitude and time duration of hump on electrode area, electrode property and contractile strength was also explored.     

井间ERT电极阵列优化及监测实验系统设计与开发

为了开发用于地层中CO2运移监测的井间ERT系统,研究了ERT电极阵列和工作模式优化设计方法并研制了井间ERT监测模拟实验系统。基于COMSOL平台构建了模拟井间ERT测量响应的有限元数值模型,利用数值模型分析了电极间距和宽度等参数对监测区域电场灵敏度的影响规律以及不同电极阵列工作模式下场域灵敏度的分布特征,确定了井间ERT实验系统中最优的电极参数,即电极间距、宽度与监测范围的比值分别为0.200、0.025,电极阵列的工作模式为AM-BN。在对实验系统进行功能需求分析、总体设计以及上述优化设计的基础上,分别对系统硬件部分和软件部分进行了开发,采用多路切换开关并配合精密电桥仪实现了对电阻抗参数的测量,利用以LabVIEW为平台开发的测控软件实现了对实验系统的自动化控制。以埋放绝缘物体来模拟注入地层CO2的方式开展了实验测试,结果显示测量到的电阻抗数据可以灵敏地反映出监测区域电参数的变化且能够用于定位绝缘物体的位置,从而验证了所开发系统的可用性。所建立的电极阵列优化设计方法以及开发的井间ERT监测模拟实验系统为下一步深入研究基于复电导率参数的CO2饱和度评价模型和开发现场适用的井间ERT监测系统提供了实验平台。     

基于柔性印刷工艺的表面肌电电极阵列装置的设计

设计了一种基于柔性印刷工艺的表面肌电电极阵列装置。该电极阵列由12个直径1.2mm的镀金圆电极分成两列组成,内部电极间距为3mm。电极载体材料(聚酰亚胺,厚50μm)具有较高的机械柔性,表面镀金(厚度2μm)的电极具有较低的阻抗,特制的聚酯双面胶带用于可重复使用的电极阵列装置的固定。在单指力量输出任务时记录指浅屈肌的多通道表面肌电(surface Electromyogram,sEMG)信号的实验中得到了稳定的基线和较好的sEMG信号。初步的实验结果表明,设计的这种低成本、体积小的高密度电极阵列装置能用于表面肌肉空间sEMG信号的检测。     

双阵列式电容传感器电极个数的选取

利用传感器相邻极板之间灵敏场不均匀的特点,建立了一种新型双阵列式电容传感器,并引入新的目标函数来评价灵敏场在某个区域幅值的大小。通过有限元仿真,分析双阵列式电容传感器电极数为6,8,12,16时对目标函数的影响,选取双阵列式电容传感器的电极数,使传感器综合性能最优。