低功耗电阻型MEMS半导体气体传感器研究进展北大核心

电阻型MEMS半导体气体传感器在环境空气质量监测和有毒有害气体检测等领域得到了广泛应用，但是受限于功耗较高的原因，这类传感器难以广泛应用于便携式气体检测系统。文章综述了近年来低功耗电阻型MEMS半导体气体传感器的研究进展，分别从气敏材料、传感器结构和传感器模组的集成电路等方面探讨如何实现低功耗的电阻型MEMS半导体气体传感器的制备，并展望低功耗的电阻型MEMS半导体气体传感器未来的发展方向。     

1.5 V Sub‐mW CMOS Interface Circuit for Capacitive Sensor Applications in Ubiquitous Sensor Networks

In this paper, a low‐power CMOS interface circuit is designed and demonstrated for capacitive sensor applications, which is implemented using a standard 0.35‐μm CMOS logic technology. To achieve low‐power performance, the low‐voltage capacitance‐to‐pulse‐width converter based on a self‐reset operation at a supply voltage of 1.5 V is designed and incorporated into a new interface circuit. Moreover, the external pulse signal for the reset operation is made unnecessary by the employment of the self‐reset operation. At a low supply voltage of 1.5 V, the new circuit requires a total power consumption of 0.47 mW with ultra‐low power dissipation of 157 μW of the interface‐circuit core. These results demonstrate that the new interface circuit with self‐reset operation successfully reduces power consumption. In addition, a prototype wireless sensor‐module with the proposed circuit is successfully implemented for practical applications. Consequently, the new CMOS interface circuit can be used for the sensor applications in ubiquitous sensor networks, where low‐power performance is essential.     

气体声表面波传感器的研究进展

主要从声表面波(SAW)结构和敏感膜的角度综述了SAW气体传感器的研究现状。重点分析了国外出现的换能器新型结构,对其优点进行了初步分析,并和传统的SAW气体传感器结构做了比较,指出这些新结构尽管存在一些缺点,目前还不能取代传统的通用式结构,但是在某些特殊场合具有传统结构所不具备的优点。在敏感膜方面,主要从新材料方面入手,分析了目前主要使用的敏感膜材料,并结合SAW气体传感器的发展趋势,总结出敏感膜的发展方向。同时,对SAW气体传感器的其他组成部分如衬底材料和信号处理电路也作了简单的回顾,最后结合国内外研究成果对SAW气体传感器的发展做了展望。     

传感器在笔记本防盗器中的应用

近年来针对笔记本等个人贵重物品被盗时有发生这一现状,设计出一种基于加速度传感器的低功耗无线防盗器。提出仅通过2个节点构建成最简单的无线传感器网络,传递PC移动信息,通知主人迅速做出反应,避免笔记本的丢失。通过硬件电路设计和软件编程烧写使整个网络得以驱动,并通过实验测验达到了预期的报警效果。解决了一般防盗器价格昂贵,系统复杂,体积较大,时延较长的缺点。     

一种视频传感器网络的栅栏覆盖方法

针对视频传感器网络的全视域覆盖要求,文中设计了一种视频传感器网络的栅栏覆盖方法。该方法选择尽可能少的视频传感器并确定传感器工作方向,实现全视域的视频栅栏覆盖。采用离散化处理方法,将给定区域划分网格单元,判断每个网格单元是否可能被全视域覆盖,并使用迪杰斯特拉算法找到全视域覆盖的最短路径,提出不冲突选择算法挑选不冲突的最小覆盖集合构成视频栅栏。实验结果表明,该方法应用于多工作方向视频传感器网络可以获得良好的性能。     

基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器

物联网(IoT)作为战略性新兴产业已经上升为国家发展重点,但在实际应用中也面临各种安全威胁。确保资源受限物联网系统数据传输、处理和存储的安全已成为研究热点。该文通过对物理不可克隆函数(PUF)和传感器制备工艺偏差的研究,提出一种基于气敏传感器的高稳态物理不可克隆函数发生器设计方案。该方案首先采用静电喷雾沉积(ESD)方式生成具有高比表面积特性的纳米材料,结合高温煅烧技术制备Pd-SnO₂气敏传感器;其次采集Pd-SnO₂气敏传感器在不同气体浓度、环境温度、加热电压条件下对甲醛气体的响应数据;然后利用随机阻值多位平衡算法比较不同簇气敏传感器响应的阻值,进而产生多位高稳态PUF数据;最后对所设计PUF发生器的安全性和可靠性进行评估。实验结果表明,该PUF发生器的随机性为97.03%、可靠性为97.85%、唯一性为49.04%,可广泛应用于物联网安全领域。     

纳米氧化锌传感器的研究进展

ZnO是一种带隙宽度约为3.0 eV的Ⅱ-Ⅵ族n型半导体材料,其具有优异的光学性能、压电性能和电化学性能,广泛应用于传感器、太阳电池和催化净化等领域。介绍了目前纳米ZnO的主要制备方法,包括水热法、电化学沉积法和磁控溅射法,分析对比了每种制备方法的优缺点。着重介绍了纳米ZnO材料在气体、生物以及光电传感器领域的研究进展,概括了制约纳米ZnO传感器件发展的影响因素。高性能纳米ZnO材料不仅在传感领域将会有良好的应用前景,而且能促进光电、医疗以及工业生产等行业的快速发展。最后,对纳米ZnO传感器目前所面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望和总结。     

SOI CMOS‐Based Smart Gas Sensor System for Ubiquitous Sensor Networks

This paper proposes a compact, energy‐efficient, and smart gas sensor platform technology for ubiquitous sensor network (USN) applications. The compact design of the platform is realized by employing silicon‐on‐insulator (SOI) technology. The sensing element is fully integrated with SOI CMOS circuits for signal processing and communication. Also, the micro‐hotplate operates at high temperatures with extremely low power consumption, which is important for USN applications. ZnO nanowires are synthesized onto the micro‐hotplate by a simple hydrothermal process and are patterned by a lift‐off to form the gas sensor. The sensor was operated at 200°C and showed a good response to 100 ppb NO₂ gas.     

IPV6技术在泛在网感知延伸层的应用及标准化现状

介绍了泛在网络的基本概念、内涵以及网络架构,概括了泛在网感知延伸层的关键技术,重点分析了感知延仲层IP技术路线,IPv6技术感知延伸层的应用以及相关国际标准化现状。     

碳纳米管微电极的直流介质阻挡放电特性

研究了一种基于碳纳米管尖端的直流介质阻挡放电(DBD)微结构,使用MEMS加工工艺制作出深宽比0.5的侧壁相对的叉指状金属电极,在电极上电泳多壁碳纳米管,采用真空磁控溅射沉积二氧化硅介质层。在大气压下测试了所制备的DBD微结构样品的直流放电基本特性。实验结果表明,在几伏特的直流加载电压下即可检测到纳安量级的放电电流,并且放电电流对人体呼吸和环境气体变化有明显响应。放电起始电压小于10V并显现出明显的抑制电流自由增长的DBD放电特征,但电流下降持续时间达102～103s量级,大于常规常压DBD时间,显示出碳纳米管尖端的特异效应。     

钽薄膜淀积速率与阻挡效果的研究

在硅衬底上用不同淀积速率溅射得到了 60 nm厚钽薄膜作为铜布线工艺中的扩散阻挡层。样品在退火前后 ,用二次离子质谱仪 (SIMS)对钽膜的阻挡效果进行鉴定 ,原子力显微镜 (AFM)分析了钽薄膜的形貌结构。研究发现不同淀积速率制作的钽膜由于其结构的差异对铜硅互扩散有着不同的阻挡效果 ,并提出样品在退火时 ,薄膜晶粒的重结晶过程是导致阻挡层失效的重要因素之一     

用于高灵敏微磁传感器的LMO膜制备与分析

采用溶胶凝胶法制备了LaMnOx(LMO)薄膜,系统研究了不同烧结温度、纵向直流磁场后退火和生长膜层数对LMO薄膜的巨磁阻抗效应的影响。结果表明,烧结温度、膜的层数以及纵向磁场后退火处理均有效提高了LMO的巨磁阻抗比,其中纵向直流磁场后退火处理提高薄膜阻抗比效果最显著,经过10Oe、400℃恒温1h磁场后退火处理后,在频率5MHz、100Oe外磁场下其磁阻抗比达15.8%,相比未后处理样品磁阻抗比提高了一倍,其对应的磁场灵敏度为0.16%/Oe。同时,实验发现磁场后退火不仅影响薄膜的巨磁阻抗比,也会改变阻抗比极大值所对应的激励频率,这一现象目前仍在探究中。     

人工神经网络在气体分析系统中的应用

为了研究人工神经网络在气体分析系统中的应用,选择了识别CH4和CO的传感器阵列及用于网络模型训练的样本。实验分析确定了信号预处理方法,选取合适的网络模型并创新性的对用于气体种类识别的BP算法进行改进,并研究网络结构和参数的变化对气体分析系统性能的影响,实验结果证明气体传感器阵列与BP算法相结合进行气体成分分析具有一定的可行性,若能进一步调整及完善气体传感器阵列的硬件测量电路,则可开发出用于现实复杂环境的多气体分析系统。     

声表面波CO气体传感器温度误差补偿方法研究

要提高声表面波(SAW)气体传感器的测量精确度,温度补偿是主要难题.目前有许多补偿方法,但其效果不佳.采用软件方法进行温度补偿的研究在国内外已成热点,但选用神经网络对声表面波气体传感器进行温度补偿罕见报道.该文以西北工业大学研发的声表面波CO气体传感器为研究对象,通过理论分析和实验,得到了声表面波CO气体传感器的温度特性曲线.提出了一种利用BP人工神经网络对声表面波CO气体传感器温度误差进行修正的新方法.计算机仿真和试验结果表明,该法能有效改善传感器的输出特性,且速度快,精度高,鲁棒性强,便于用硬件实现,具有较高的推广应用价值.     

基于延迟线理论的无源声表面波气体传感器

针对单输入、单输出及双输入、双输出换能器构成的声表面波(SAW)气体传感器存在的缺陷,研究一种无线无源、温度可测的气体传感器。基于声表面波的延迟线理论,利用叉指换能器的转换能量原理,对叉指换能器及反射器进行合理布局,并使3个反射器之间互为参考反射器,获得一种新型的声表面波气体传感器。该设计减少了传感器中信号间及环境温度等因素对测量的干扰,提高了传感器的灵敏度和测量准确度。该传感器具有结构简单、无线无源等特点,适合在不宜接触的复杂工程环境下工作。     

Barrier Properties of Amorphous Binary Ta-Ni Thin Films for Cu Interconnection

Highly thermally stable amorphous Ta _x Ni_1–x (x = 0.25 and 0.75) thin films were deposited on Si and Si/SiO₂ substrate by magnetron dc sputtering, and the performance of films (20-nm thick) as barriers for copper (Cu) interconnection was evaluated. The failure behaviors of the films were elucidated using a four-point probe, x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), and Auger emission spectrometry (AES). A highly (111) textured Cu film could be obtained when Cu was deposited on Si/Ta_0.25Ni_0.75 and Si/SiO₂/Ta_0.25Ni_0.75 substrates. The failure temperatures of Si/Ta_0.25Ni_0.75/Cu- and Si/Ta_0.75Ni_0.25/Cu-stacked films were 550°C and 600°C, respectively. Failure of the studied films initiated the penetration of Cu into the Si/Ta _x Ni_1–x interface and triggered the partial dissociation of the Ta _x Ni_1–x barrier layer, forming Cu₃Si precipitates, Ni-silicide and Ta-silicide. Increasing the Ta content enhanced the microstructural and thermal stability of the stacked films, markedly improving barrier properties. The experimental findings demonstrated that the barrier characteristic of Ta_0.75Ni_0.25 was substantially superior to that of Ta_0.25Ni_0.75.     

Formaldehyde OTFT Sensors Based on Airbrushed Different Ratios of P3HT/ZnO Films

The formaldehyde (HCHO) detecting at room temperature is of great significance. Different ratios of P3HT/ZnO composite films (3:1, 1:1, and 1:3) were deposited on the organic thin film transistor (OTFT) by spray-deposition technology, and the electrical properties and HCHO-sensing properties of all the prepared OTFT devices were measured by Keithley 4200-SCS source measurement unit. The results show that the OTFT sensor based on the P3HT/ZnO films with the ratio of 1:1 exhibited the best output and transfer curves. Different changing tendency were observed with the increase of ZnO proportion when exposed to HCHO at room temperature, and the device with the ratio of 1:1 behaved a good response and recovery characteristics.     

多靶磁控共溅射纳米Ta-Al-N薄膜的阻挡性能研究

采用磁控反应共溅射方法制备了纳米Ta-Al-N薄膜,并原位制备了Cu/Ta-Al-N薄膜,对薄膜进行了热处理。用四探针测试仪、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)以及台阶仪等研究了退火对薄膜结构及阻挡性能的影响。结果表明,Ta-Al-N薄膜具有优良的热稳定性,保持非晶态且能对Cu有效阻挡的温度可达800°C;同时发现在900°C退火5 min后,薄膜开始晶化,在Cu/Ta-Al-N/Si界面处生成了Cu3Si等相,表明此时Ta-Al-N薄膜阻挡层开始失效。     

Formaldehyde OTFT Sensors Based on Airbrushed Different Ratios of P3HT/ZnO Films

The formaldehyde(HCHO) detecting at room temperature is of great significance.Different ratios of P3HT/ZnO composite films(3:1,1:1,and 1:3) were deposited on the organic thin film transistor(OTFT) by spray-deposition technology,and the electrical properties and HCHO-sensing properties of all the prepared OTFT devices were measured by Keithley 4200-SCS source measurement unit.The results show that the OTFT sensor based on the P3HT/ZnO films with the ratio of 1:1 exhibited the best output and transfer curves.Different changing tendency were observed with the increase of ZnO proportion when exposed to HCHO at room temperature,and the device with the ratio of 1:1 behaved a good response and recovery characteristics.     

静压桩贯入试验增敏型FBG传感器的研制及应用

介绍了光纤光栅的基本原理及优点,设计了基于光纤光栅技术的增敏型应变传感器,并对其工作特性进行了分析。应用增敏型光纤光栅传感器,测试了静压桩贯入过程中模型桩的桩身应力变化。试验结果表明,使用光纤光栅传感器对模型试验中静压桩贯入过程桩身应力监测时需进行增敏。增敏型光纤光栅传感器为模型试验中静压桩贯入过程监测及分析提供了一种新的工具,是监测模型桩静压贯入过程的理想器件。