微电子专业生产实习课程思政教学改革探索与实践

课程思政建设在高校教育中被认为是有效履行立德树人根本任务的战略性措施。实践类课程在培养学生创新精神和实践能力方面具有优势,将思想政治教育融入其中有助于塑造学生的人生观和价值观。通过对微电子专业生产实习课程思政的整体设计和教学实践进行探讨,探索了思政元素的切入点,研究了具体的教学实验组织形式,形成了在实习实践类课程中可复制共享的课程思政教学方法。

“微电子工艺技术”教学改革创新与实践

以“立德树人”和“新工科”理念为指导,树立以学生为中心,优化课程知识体系结构,将虚拟仿真、项目式教学和校企协作育人等教学模式有机融入课程体系建设,构建链条式的课程知识地图和由价值观塑造、知识传授和能力培养组成的闭合回路,打破了传统观念束缚和时空限制,推进现代信息技术和产业与微电子工艺教学的深度融合,提升学生知识应用和工程实践能力,培养专业责任感和家国情怀。

基于正交实验法的微电子工艺实验教学研究

为了分析微电子工艺实验教学中多因素对实验结果的影响,提高微电子工艺实验教学的综合性和创新性,利用正交实验及其方差分析的方法,研究了射频功率、工作压强、气体组分及流量配比对硅通孔刻蚀深宽比和刻蚀速率的影响,并采用正交实验,分析了各个因素对实验结果影响的显著性,获得了优化的工艺参数。基于此方法设计的工艺实验教学,提高了教学效率和学生的综合实践能力,达到了新时期培养微电子卓越人才和新工科建设的目标。

智能化成像与识别CMOS图像传感器技术

近年来,高性能智能化CMOS图像传感器芯片作为视觉信息获取的核心部件,日益成为国家重大科技研究项目(如载人航天、大飞机、高分辨率对地观测等)航天与空间探测领域的重要基础和技术支撑。三维集成的图像传感器芯片架构为构建智能化成像系统奠定了基础,模拟生物视觉感知机理的智能仿生图像传感器有效解决了分辨率和帧频不断提高的需求带来的感知与处理能力的挑战,同时还具有大动态范围、低数据冗余和低功耗等优势。文章在分析了智能化成像机理的基础上,调研了国际上多种仿生CMOS图像传感器的研究进展并分析了智能化成像与识别的关键技术,展望了该领域未来研究的可能发展方向,为抢占智能化CMOS图像传感器技术的制高点提供参考。

微电子专业生产实习教学模式的探索与实践

为了适应微电子产业的高速发展,发挥国家示范性微电子学院的辐射作用,对作为实践教学的重要组成部分和重要环节的生产实习进行了教学模式的改革。以校企联合实训基地和微电子工艺实验室为载体,利用虚拟仿真和实际操作相结合的教学手段,构建了由学术演讲、参访学习和实验操作三部分组成的多元化微电子生产实习教学及评价体系,克服了微电子专业特点给生产实习带来的困难,达到了新时期培养微电子卓越人才和新工科建设的要求。

集成电路专业项目式实验教学改革与实践

构建互融互通的实习实践课程平台并基于此开展项目式教学对培养具有创新精神和实践能力的卓越人才有着十分重要的作用。对集成电路专业综合实验进行了顶层设计,以“集成电路工程实践”课程为例,阐述了实验教学改革情况和课程思政同项目驱动式教学方法的融合,进而提出了应有的政策保障措施,为新形势下高校面向国家战略需求,利用项目式教学方法培养卓越人才提供参考。

基于双重注意力和分层感知表征的IQA方法

图像质量评价在图像处理领域有着广泛的应用.基于深度学习的方法以多通道特征的形式获取图像信息,但在特征下采样过程中会丢失局部空间细节,导致对于图像信息的表征能力不足.针对以上问题,本文基于人类视觉系统的分层感知机制,提出了一种全参考图像质量评价方法,采用Siamese结构的卷积神经网络实现非线性映射,从不同尺度和视觉复杂度表征图像信息,并通过双重注意力模拟人类在评价图像质量时对视觉注意力的调控过程.此方法在特征提取阶段引入空间注意力机制,对特征图的二维空间位置赋以权重,计算人在感知图像失真信息时对空间区域的注意力差别.在特征融合阶段利用分组通道注意力模块显式建模通道间的依赖关系,对感知差异特征进行自适应的校准,使网络关注对于图像质量评价影响大的通道特征.实验结果表明,该方法在LIVE、TID2013和CSIQ 3个公开数据集上的斯皮尔曼相关系数分别达到0.975、0.938和0.963,在应对复杂失真类型图像时的性能提升显著,与人类主观评价的一致性良好.

集成电路光刻工艺虚拟仿真实验教学建设

针对集成电路工艺实验教学中存在的大型设备短缺、场地经费受限、实验条件苛刻等问题,提出了搭建具备选课、资源库、答疑室和教学评价等功能的开放式教学管理信息化平台。阐述了集成电路光刻工艺在虚拟仿真技术中的典型应用,充分发挥了虚拟仿真实验的生动、直观、安全等优点,激发了学生学习的积极性和主动性,培养了学生的创新精神和工程实践能力,满足了新工科背景下的金课建设需求。

基于GND采样技术的逐次逼近型模数转换器设计

针对柔性压阻式压力传感器输出信号数字化对功耗和面积的要求,设计了一款低功耗逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC).电路采用了基于GND采样的单调开关切换方案降低DAC开关能耗,并使用了分段电容阵列,在进一步降低切换功耗的同时,还缩减了整体电路的面积开销.此外,电路还设计了两级预放大器来降低动态比较器的噪声和失调,采用动态元件匹配技术(DEM)来提高ADC的线性度.在0.18μm 1P6M CMOS工艺下实现了该ADC的电路设计和版图绘制,芯片内核面积约630μm×575μm,在1.8 V的电源电压下功耗为25.7μW.流片测试结果显示:SAR ADC在250 kHz的采样率下以11 bit输出时,信噪失真比SNDR为65.0 dB,有效位数ENOB为10.51 bit.

基于分集接收技术的可见光接收机前端电路

为了减弱噪声对可见光通信质量的影响,提高可见光通信系统的抗干扰性,基于台积电180 nm CMOS工艺,提出了一种抗噪能力较强的可见光接收机前端电路.电路主要包括跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除网络和输出缓冲级.输入端对信号进行两路接收,通过印制电路板绘制把外部两个光电二极管相连,对接收到的光电流信号进行等增益合并,合并信号作为输入信号提供给光接收机模拟放大电路,这种设计实现了分集接收技术,提高了光通信系统的信噪比.跨阻放大器采用调节型共源共栅结构,共源结构作为反馈环路,降低芯片的输入阻抗,共漏结构提高了跨阻放大器的带负载能力.限幅放大器采用改进Cherry Hooper型限幅放大器结构,引入反馈电阻降低级间等效电阻,扩展有效带宽,并通过增加负载电阻为支路提供偏置电流,有效提高了电路的输出范围.测试结果表明,在电源电压为1.8 V、光电探测器等效电容为5 pF时,光接收机的跨阻增益为88 dBΩ,-3 dB带宽为510 MHz,在误码率小于3.8×10-3的条件下实现了600 Mb/s的数据传输.芯片功耗为43.62 mW,整体面积为624μm×823μm,当误码率为10-9时,基于分集接收的光接收机的灵敏度为-11.5 dBm.对比实验表明,分集接收技术降低了可见光通信的误码率,提高了通信质量,因此基于分集接收技术的光接收机有望应用于室内可见光通信系统领域.

机载激光测深雷达中大动态范围信号的多通道处理技术（英文）

为实现大动态范围信号的有效接收,设计了一种三路并行的信号处理架构,分别设置为低、中、高三种不同增益,以实现不同水深下不同幅度的回波信号处理.同时利用数据拼接方法以及一种基于五角函数和高斯函数组合的拟合算法综合处理三路数据并进行水深评估.基于Wa-LID回波仿真模型得到回波数据,验证多路并行处理架构的实用性.仿真结果表明,本文提出的多通道处理技术可测信号的动态范围达86.9dB,对应的最大测深为26m,测量偏差为1.6cm至4.7cm,标准差小于1.1cm.可有效应用于机载激光雷达测深系统.

基于卡尔曼滤波的四轴飞行器成像、惯性和高度组合导航

为了提高四轴飞行器在非结构化、室内和GPS失效环境下的导航精度,本文提出一种用于四轴飞行器的成像、惯性和高度组合导航。首先对四轴飞行器搭载的摄像机进行了标定,获取了摄像机的内外参数。其次设计了着陆标志为标准参照物,以及着陆标志识别方案。再利用卡尔曼滤波器融合视觉、惯性测量系统和超声波测距仪的数据,通过相似三角形定理估计飞行器的相对高度,利用视觉测程法估计飞行器位置和位移速度。最后验证组合导航的有效性,用成像、惯性与高度组合导航实验平台依次进行了相对高度估计实验、平移速度和相对位置估计实验,实验测试表明:在高度估计实验中,组合导航能够很好的描述四轴飞行器的飞行高度估计;在平移速度估计实验中,卡尔曼滤波器估计的速度估计值很平滑;相对位置估计实验中,四轴飞行器的x方向位置保持在原点附近,y方向位置保持在-1.0 m附近,高度位置的最大误差在0.3 m之内。

基于自适应相关多采样技术的CMOS图像传感器列级单斜ADC设计

为了降低CMOS图像传感器的噪声水平,本文提出了一种基于自适应相关多采样技术的单斜ADC,可以根据光强自动选择合适的斜坡信号完成A/D转换。通过在低照度下使用小范围、高增益的斜坡信号进行多采样操作,可以充分降低读出噪声。多斜坡发生器由温度计码电容型DAC实现,此外还分析并校准了斜坡信号的失调电压和增益误差。提出的单斜ADC是在标准的110 nm 1P4M工艺下设计仿真的。仿真结果表明:基于自适应相关多采样技术的单斜ADC不会增加总A/D转换时间,同时在8倍的前置放大器增益下实现了最低59μV_(rms)的读出噪声。此外当前置放大器为2倍增益时,读出噪声从强光下的211μV_(rms)降低到弱光下的92μV_(rms),噪声的降低对应于7.21 dB信噪比的提高。另外,本文的品质因数为3.77 nV_(rms)·s。

基于SDN具有缓存感知的NDN节点拥塞控制策略

命名数据网(named data networking,NDN)作为一种新型的互联网架构,旨在应对日益增长的数据流量.然而,随着用户需求进一步增长,拥塞控制对于多路径传输的命名数据网仍然是一个具有挑战性的问题,亟需一种能够快速地检测网络拥塞和有效地管理网络资源的拥塞控制机制.针对这一问题,提出了一种基于软件定义网络技术的、具有缓存感知功能的命名数据网节点拥塞控制策略,称BCMCC.首先,介绍了BCMCC的新型网络架构.利用软件定义网络控制平面与数据平面解耦合技术,该架构将拥塞控制功能集中于SDN控制器中,以实现集中式节点拥塞控制、降低节点运行负荷的目的.其次,基于新型网络架构,研究了BCMCC的缓存感知算法和多路径选择拥塞控制算法.其中,缓存感知算法实现了网络缓存内容的感知以及缓存内容全局流行度的计算,能够利用命名数据网的节点缓存特性,降低缓存内容对拥塞控制的影响;多路径选择拥塞控制算法协同节点更新转发端口信息以实现流量迁移、智能化管理多路径容量,达到提高网络资源利用率、有效避免和缓解网络拥塞的目的.最后,在ndnSIM仿真平台进行BCMCC的性能测试.实验结果表明,BCMCC在丢包量、网络吞吐量以及传输时延等方面优于Best-Route算法、NCC算法和Random算法.在网络流量相同的情况下,BCMCC平均传输时延比Random低14.16%,比NCC低22.68%,比Best-Route低17.24%,同时相比Best-Route具有更稳定的网络吞吐量.BCMCC可以有效解决命名数据网拥塞问题.

实验教学示范中心的新工科建设探索与实践

在新工科建设背景下,结合市级电子科学与技术实验教学示范中心的建设历程,以培养具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的卓越人才为目标,探索了实验教学、环境安全、实验教学师资队伍和信息化平台开放利用等方面的建设方法与途径。充分利用好各级部门精准有利的政策支持,落实产学研协同育人和全链条式人才培养模式,形成了实验教学示范中心值得借鉴的创新特色建设方案。

一种具有失调抑制技术的全局快门帧差型传感器

提出了一种低固定模式噪声全局快门帧差型传感器的电路实现方法。帧差型传感器根据连续两帧之间的光强变化方向进行编码,每个像素只输出两位的事件信息。全局快门方案通过交替使用像素内的两个电容器实现。失调抑制技术结合了差分采样方案与基于电容存储的比较器失调抑制方案。传感器采用0.11μm CMOS技术进行设计,像素尺寸为7μm,阵列大小为640×480。仿真结果显示:提出的方法将列并行事件编码电路的失调从7.37 mV抑制到264μV;传感器的固定模式噪声从0.75%降低到0.096%;传感器以120帧/s的速度运行时,功耗为0.441 nJ/pixel×frame。仿真结果表明,该传感器可以以低固定模式噪声输出时间域差分图像。

基于列共用多采样技术的CMOS图像传感器读出电路设计

针对CMOS图像传感器中相关多采样(Correlated Multiple Sampling,CMS)技术在抑制噪声的同时使读出速度受影响的问题,设计了低噪声读出电路。读出电路采用列共用多采样技术,能够在不影响读出速度的情况下,抑制时域噪声和列固定模式噪声(Fixed Pattern Noise,FPN),改善CMOS图像传感器的成像质量。列共用多采样技术采用开关控制读出电路和像素的连接关系,以多列共用的读出电路对像素依次进行时序错开时间缩短的多次采样,完成所有像素量化的总时间保持不变。基于列共用多采样技术读出电路的降噪效果在110 nm的CMOS工艺下进行了仿真和验证。随着采样数M从1到4变化,读出时间没有增长,瞬态噪声仿真得到整个读出链路的输入参考噪声从123.8μV降低到60.6μV;加入列FPN进行仿真,输入参考失调电压由138μV降低到69μV。

应用于有源巴伦的新型幅度相位间接纠正技术

针对毫米波频段下有源巴伦输出端口间存在的幅度和相位失配问题,提出了一种新型幅度相位间接纠正技术。该技术利用共射共基结构将输入的幅度与相位误差进行平均分配和重组,同时将输入信号间的未知变量误差转化为内部纠正电路中的固有误差,从而实现对原误差的限制和间接纠正,继而产生一对新的理想差分输出信号。构建数学模型进行分析与推导,证实了该技术在理想情况下的可行性,并通过电路仿真对理论进行验证。仿真结果表明,该纠正电路3 dB带宽为96~113 GHz,峰值增益为12.7 dB。在105 GHz频率下,对于幅度误差为0~10 dB,相位误差在10°~110°范围内变化的所有输入信号,输出信号间幅度误差均小于0.3 dB,相位误差均小于5.3°,电路总功耗为54 mW。

应用于半导体激光器的高精度温控系统设计

面向半导体激光器温控系统的高精度、高速与高集成化的需求,设计了一款高精度、快速响应、高集成化、低成本的数模混合架构温控系统。该系统以FPGA为控制核心,硬件部分包括由三线制惠斯通电桥、仪表放大器、模数转换器组成的温度信号采集与调理模块,全桥降压电路驱动模块,热电制冷器模块等。针对热敏电阻和电桥的非线性误差,提出了一种可变控温零点的温度信号调理方法,该方法基于迭代与多目标最优化算法,提高了控温精度,同时降低了仪表放大器与模数转换器的指标要求,从而降低了系统成本。针对温度滞后大、延迟高的特点,控温策略采用了抗饱和积分的PID(AWPID)自动控制方法,从而降低超调,加快收敛速度。测试结果表明,该温控系统在-45~75℃的温度范围内,实现了±0.02℃的控温精度,相较于固定控温零点的温控系统最大0.1951℃的控温精度提高了89.7%。与传统PID控制算法相比,AWPID控制算法将超调从9.13%降低到1.5%,将稳定时间从41 s降低到30 s。稳定性测试表明,该温控系统能够在长时间内保持±0.02℃的控温精度,满足稳定性要求。该系统具有高精度、快速响应、高集成化、低成本的特点,为半导体激光器的复杂应用场景提供了高精度的温度保障。

MEMS陀螺仪高精度低噪声检测电路设计

为满足电容式MEMS陀螺仪低噪声,高精度的检测需求,设计了一款基于开关电容结构的全差分检测电路,主要包括电容检测和数字量化处理两部分。电容检测电路采用离散时间电容电压(C/V)转换方案,提出将高频载波调制和相关双采样技术相结合的方式,有效降低了低频噪声的干扰。量化电路采用一款4阶4 bit单环前馈结构的带通ΔΣ调制器,输入信号前馈通路的引入提高了系统的稳定性,内部多位量化器有效提高了信噪比。系统在保持低功耗的同时实现了高精度输出。基于0.18μm BCD工艺,在5 V电源电压下,对整体电路进行仿真验证。仿真结果表明,检测电路灵敏度可以实现10 m V/f F,在谐振频率5 k Hz处,等效输入电容噪声为■。最终在100 Hz带宽范围内,读出信号量化精度可以达到15 bits。与传统的MEMS陀螺仪检测电路相比,该电路具有更低的噪声和更高的量化精度,能够满足高精度检测应用需求。