胸怀经纬,织就未来——徐卫林院士纺织科普工作室在行动

纺织是一个历史悠久的传统行业,更是在我国值得永久传承的优势产业,从最早的手工纺织到现代的自动化和智能化生产,纺织业的发展贯穿了人类历史的各个时期,作为一个多学科交叉兼容行业,如今的纺织科技渗透在医疗卫生、建筑、交通、航空航天等各行各业,是中国制造业从“跟跑”到“领跑”的行业典型。但是,社会公众对纺织的认知大多还局限于服装、床上用品等领域,极大地低估了纺织行业的动态性和创新能力。时代的发展为纺织行业的科普工作提供了广阔空间,也提出了更高的要求。2023年12月27日,经武汉市科学技术协会、江夏区科学技术协会、武汉纺织大学共同筹措,在武汉纺织大学省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室建立了全国首个以纺织为主题的院士科普工作室。

产教融合背景下的集成电路工程专业课程群案例库建设探析

文章在对集成电路专业课程教学案例库建设现存问题进行分析的基础上,探讨了产教融合背景下该专业核心课程教学案例库建设对策;结合桂林电子科技大学集成电路工程专业的特点和生源情况,对该专业的集成电路设计课程群进行优化整合,构建了三层级架构的集成电路设计课程群案例库。案例库覆盖模拟、射频、数字、数模混合集成电路设计,并引入了更适合集成电路现代工艺的跨导电流比(g_(m)/I_(D))设计方法,有助于初学者克服对模拟、射频集成电路设计的畏难情绪。通过案例库的教学实施,大幅度提高了学生的专业实践能力。

功能性蚕丝纤维研究新进展

蚕丝纤维因其优异的穿着舒适性,出色的力学性能、生物相容性、生物可降解性及其对人体无毒无炎症的特点,逐渐在多学科交叉融合应用方面表现出巨大的潜力,但同时也因其存在光致发黄、老化、细菌引起的变形甚至降解、不能机洗、难打理等缺陷,急需实现技术创新,开发具有更广阔应用场景的高性能/多功能蚕丝纤维。本文系统总结了高性能/多功能蚕丝纤维制备新技术,包括基因编辑法、添食法、物理改性法、化学改性法,并指出其所存在的问题和面临的挑战。在此基础上,进一步探讨了高性能/多功能蚕丝纤维的未来发展方向,以期为我国桑蚕产业的转型升级提供理论支撑。

一种6倍无源增益低OSR低功耗的二阶NS SAR ADC

针对一阶噪声整形(NS)往往需要增加功耗而以较高的过采样比(OSR)来实现较高的有效位数(ENOB),提出了一种低OSR、低功耗的二阶无源NS SAR ADC。该无源NS模块较高的无源增益可以更好地抑制比较器的噪声;其残差电压是通过开关MOS阵列复用积分电容实现采样,从而无需额外的残差采样电容,避免了残差采样电容清零和残差采样时kT/C噪声的产生,因此减小了总的kT/C噪声。180 nm CMOS工艺仿真结果表明,在不使用数字校准的情况下,所设计的10位二阶无源NS SAR ADC电路以100 kS/s的采样率和5的OSR,实现了13.5位ENOB,电路功耗仅为6.98μW。

仿生结构生色技术及其在纺织领域应用的研究进展

针对传统印染行业高能耗、高污染的问题,急需革新染色技术,开发具有更加高效、节能和环保的染色新方法。结构色因其色彩饱和度高、色彩长期稳定且对环境友好而受到了越来越多的关注,并取得了极大进展,尤其是在纺织印染领域。首先分析了结构色的形成原理,系统总结了结构色材料的制备新技术,包括刮涂法/喷涂法、垂直沉积法、重力沉降法、浸渍提拉法、层层自组装法、电泳沉积法、静电纺丝法、磁控溅射法、原子层沉积法等,并比较了各种技术的优劣。在此基础上,进一步探讨了结构色在纺织领域中的多维应用,指出了结构色所面临的挑战,并从仿生自然发展新型结构色材料、提高结构色色彩丰富度及力学稳定性、突破结构色规模化制备技术、完善结构色产品生态等4个方面展望了结构色的未来发展方向,以期推动结构色跨越式发展,助力“碳达峰,碳中和”国家战略。

短纤维成纱结构演化与创新

为了进一步理解捻合机制与纱线结构的关系,开发出理想结构纱线,综述了不同纺纱技术的纺纱原理、捻合机制、纱线结构、纱线性能,分析了不同纱线结构的优缺点,进一步阐明了捻合机制对纱线结构的影响以及纱线结构与纱线性能之间的关系,总结了理想纱线结构具有的特点,展望了未来纱线结构的发展趋势。捻合机制的差异导致纱线结构不同,纱线结构影响着纱线品质,为了进一步提升纱线品质,应从创新捻合机制的角度出发,以开发出理想结构纱线。

一种双环快速瞬态响应无片外电容LDO

针对传统低压差线性稳压器(LDO)需要离片大电容的不足,基于180 nm CMOS工艺设计了一款双环快速瞬态响应的无片外电容LDO。该LDO采用极点分裂技术,以保证在不同负载电流情况下的稳定性,并通过瞬态增强电路检测输出电压的波动来为功率管栅极提供额外充、放电电路,以减小系统的过冲电压。同时,在传统模拟环路的基础上增加了数字辅助环路,以提升LDO的最大负载电流。仿真结果表明,当电源电压为1.8 V,输出电压为1.5 V,该LDO负载电流最大值为275 mA,空载静态电流为39μA。负载电流1~250 mA在1μs的时间跳变时,上冲电压为66 mV,下冲电压为77 mV。结果表明LDO的带载能力、瞬态响应性能在双环路加持下得到显著提升。

一种极低功耗的轨对轨高增益低失调运算放大器

针对传统液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)驱动器的电压缓冲器工作电压范围较小且功耗较高,以及传统运放增益有限的问题,文章设计了一种极低功耗的轨对轨高增益低失调运算放大器。该放大器采用两个互补的输入级,能在全电压范围内交叉导通实现轨对轨输入,通过多级Cascode模块有效提高了电路的放大倍数。改进的输出级采用单输入的方式,有效减小了电路的失配和输出电路的静态电流,保证了电路的稳定性。0.18μm CMOS工艺仿真验证表明,所提出的低功耗轨对轨高增益低失调运算放大器电路在6.5 V的工作电压下实现0~UDD(电源电压)的输入、输出范围,且开环直流增益在不同共模电压下均大于88 dB,相位裕度均大于65°,失调电压小于900μV,仅72 nA静态电流。该放大器满足LCD驱动器的低功耗、高增益和低失调的应用需求。

高性能纤维及其制品颜色构建的研究进展

高性能纤维及其制品是我国纺织行业重点发展的关键材料,其关系到国民经济发展和国家战略安全。为促进高性能纤维及其制品的发展,掌握其染色方法前沿和发展趋势,突破行业技术瓶颈,综述了国内外高性能纤维及其制品颜色构建的研究进展。重点概述了以芳纶、碳纤维、聚酰亚胺纤维和超高分子量聚乙烯纤维为代表的高性能纤维在颜色构建方面的技术创新,从载体染色、非水介质溶剂染色和原液着色等化学染色法以及物理结构生色法等方面总结了4种高性能纤维颜色构建的基本原理和发展趋势,讨论了高性能纤维色彩构建中遇到的主要挑战,并对该领域的未来研究方向进行了展望。指出,高性能纤维及其制品的颜色构建仍需进一步完善理论研究,以期为推动其高质量发展提供理论和应用参考。

一种低信号衰减的三阶噪声整形SAR ADC

针对传统的二阶噪声整形逐次逼近模数转换器(SAR ADC)功耗较大和整形能力不强的问题,提出了一种级联积分器前馈(CIFF)和误差反馈(EF)混合误差控制结构的三阶NS-SAR ADC,并在系统中增加了一个与电容数模转换器(CDAC)串联连接的反馈电容,使得滤波电容不与CDAC直接相连,因而可以利用该反馈电容调节衰减因子,确保了输入信号不被衰减和反馈信号较小衰减。这种EF-CIFF结构提供了更强的噪声整形能力和高阶噪声传递函数的鲁棒性,且只需要低功耗的小增益动态放大器即可实现EF和CIFF两条路径的余差放大。提出的NS-SAR ADC基于180 nm CMOS工艺设计。在1.8 V电源电压下,工作在160 kS/s采样率时,功耗仅11.3μW,在过采样率为8时,实现了15.6位的有效位数。

应用于低频无源RFID的低成本2 kbit EEPROM

基于350 nm 2-poly 3-metal EEPROM工艺,设计了一种应用于低频无源RFID的低成本2 kbit EEPROM存储器。在保证存储容量能满足大多数使用场景的情况下,通过优化Dickson电荷泵和读出电路的结构,实现电路版图面积的最小化,从而对整体电路实现低成本设计。优化后的Dickson电荷泵能实现10μs内从3.3 V到16 V的稳定升压,且功耗为334μW;读出电路基于检测NCG器件阈值电压的方式实现存储逻辑值的判别,该方法不需要能提供高精度电流的基准电路和具有高增益的灵敏放大器,有效降低了整体电路的面积。低成本2 kbit EEPROM的工作电压为3.3 V,能实现32位并行输入和1位串行输出,芯片总面积仅为0.14 mm^(2),有效降低了低频无源RFID设计复杂度和制造成本。

一种12 bit 200 MS/s低功耗SAR-TDC ADC

为了满足低电压条件下高速高精度采样需求,设计了一种电压-时域两级混合结构流水线模数转换器(ADC)。该流水线ADC的第一级逐次逼近型(SAR)ADC将电压转换为8 bit数字,残差电压变换为时域延时信息后,第二级4.5 bit时间数字转换器(TDC)将延时转换,最终校准输出,实现12 bit精度转换。通过采用多电压供电、改进残差电压转移和放大器结构,以及优化时间判决器,提升了ADC的动态性能和采样速度,降低了采样功耗。该ADC基于40 nm CMOS工艺设计和仿真。采样率为200 MS/s时,功耗为9.5 mW,动态指标SNDR、SFDR分别达到68.4 dB、83.6 dB,优值为22 pJ·conv^(-1)·step^(-1),能够满足低功耗高速采样的应用需求。

医疗大健康用纺织品研究现状与发展趋势

为了全面掌握医用纺织品的最新动态,探讨未来发展方向,介绍了当前我国制备医用纺织品的纤维材料和成形技术;归纳近十年医用纺织品领域的新兴技术和重要突破;聚焦于具有医疗防护、治疗、监护、保健、组织修复等体内外医用纺织品的设计、复合和应用;分析了产业化现状及存在的关键问题。认为:我国现有医用纺织品具有多样化等特点,但高品质、智能化、生态友好医用纺织品的基础研究、技术开发、商业生产仍处于起步阶段。应加强自主创新、加深多领域深度合作、加快智能制造技术融合、完善行业规范制度构建、发展科技赋能产业链,开发兼具轻型舒适、数字化、智能化、生物友好、可降解等优势的未来医用纺织品。

纤维基界面光热蒸发器表面除盐的研究进展

为深入探究具有能量转换效率高、清洁无污染的界面光热蒸发器,简要介绍了当前纤维基界面光热蒸发器表面除盐的研究进展,以及其在海水淡化与浓盐处理等领域的应用,探讨了界面蒸发过程中水分迅速逃逸导致的盐分析出抑制对光的吸收和堵塞蒸汽溢出通道的作用机制,以及产生的降低器件蒸汽产生速率及使用周期的影响。分析了基于纤维材料设计的除盐策略,包括主动式(水洗除盐与区域结晶盐收集)和被动式(自清洁设计、对流效应、定向流体传输与Janus织物设计)。最后,对纤维材料在太阳能界面蒸发器表面除盐设计所面临的挑战及未来潜在的应用前景进行总结与展望。

一种用于极性反转热电能量收集的升降压转换器

针对传统TEG能量收集系统输入电压单一化与可用功率范围较窄的问题,提出了一种适用于极性反转热电能量收集的升降压DC-DC转换器。采用双极性输入升降压拓扑结构,能够自适应收集双极性输入热电能量,并增加储能升降压回路,有效拓宽了重载下可用功率范围,保证输出电压稳定性,并在轻负载时收集多余能量,显著提高轻载转换效率,保证系统续航能力。最大功率追踪方法采用结构简单、追踪效率较高的开路电压法。180 nm CMOS工艺仿真验证表明,所提出的能量收集系统轻重负载条件下转换效率均高于85%,最高转换效率为93.26%(V_(TEG)=500 mV,R_(S)=210Ω),最大功率追踪效率达到99.52%(V_(TEG)=-600 mV),电路最低工作输入电压为±25 mV,且重负载下1.8 V输出电压纹波小于30 mV。

一种宽负载范围低纹波高效率能量收集系统

针对环境能量收集系统输出电压纹波高以及效率随负载变化等缺点,提出了一种在宽负载范围内转换效率高且输出电压纹波低的能量收集系统。该系统基于最优化导通时间(OOT)控制方法对输出纹波进行调控,解决了传统控制方法在小负载电容和轻载情况下纹波较大的问题;此外,基于自适应系统时钟频率(ACF)控制方法改善了传统方法在轻载时效率大幅度下降的问题,实现系统在较宽负载范围内保持较高的效率。采用180 nm CMOS工艺对能量收集系统进行设计验证。仿真结果显示,所设计的能量收集系统在1 mA负载电流范围内峰值效率为89.75%,最低效率为83.75%,其最低效率比同类系统提高了7个百分点以上;在0.2μF负载电容下纹波从177.96 mV下降到23.56 mV。

微波热冲快速制备二维多孔La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)钙钛矿用于高效电催化析氧反应

析氧反应(OER)被认为是电解水的关键限制步骤,已被广泛作为清洁能源方式用于解决能源和环境问题。钙钛矿氧化物(ABO_(3))具有可调的电子结构、高灵活性的元素组成,能在OER中表现出良好的催化活性。然而,钙钛矿氧化物的合成通常需要经历长时间的高温,极易导致金属的聚集和影响材料的本征活性。气相微波技术可以显著缩短热处理时间,从而减少相关的碳排放。这项技术不仅解决了对碳中性过程日益增长的需求,而且还增加了对合成的控制,以避免产品的不良团聚。本文采用微波热冲法快速制备了二维(2D)多孔La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)钙钛矿。伴随微波过程的快速熵增可以有效地暴露La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)结构中丰富的活性位点。此外,高能微波冲击过程可以精准地将Sr2+引入到LaCoO_(3)的晶格中,通过增加Co的氧化态来增加氧空位量。这种锶元素取代镧引入的氧空位能极大提高催化剂的本征催化活性。对于碱性电解液中的OER应用,制备的La_(0.2)Sr_(0.8)CoO_(3)在10 m A·cm^(-2)下展现出了360 m V的过电位,Tafel斜率为76.6 mV·dec^(-1)。且在经历30000秒的长时间循环测试后仍能维持初始电流密度的97%。这项研究为高活性二维钙钛矿的合成提供了一种简便、快速的策略。

环锭纺纱技术解析及理想纱线结构构筑

为了提升环锭纺成纱品质,探讨理想型纱线结构的构筑。通过分析对比多种环锭纺纱新技术的特点与成纱品质,分析纺纱三角区中纤维运动规律,指出在纺纱三角区加装控制装置,改善纤维的内外转移运动,以实现高品质环锭纱的纺制。构筑了纱线表层紧密集聚结构、内部纤维充分内外转移的理想型高品质纱线结构,提出了热致分层集聚调控纤维成纱的纺纱方法,并进行了纺纱和织造试验对比。结果表明:热致分层集聚调控纺纱与传统环锭纺纱相比,成纱毛羽减少,强力提升;与负压气流式集聚纺纱织制的棉织物相比,热致分层集聚调控纺纱织制的棉织物抗起毛起球、耐磨性、顶破强力均有改善,纺纱能耗降低。认为:热致分层集聚调控纺纱方法为生产短纤维高品质纱线和织物提供了新思路,该技术还需要不断完善,提高可靠性和稳定性,扩大应用范围。

一种适用于能量收集系统的低功耗张弛振荡器

为满足微小能量收集系统的低电压、低功耗应用需求,设计了一种低温度系数的低功耗、小面积的张弛振荡器。使用自偏置Cascode复合晶体管结构分别代替传统倍增电流偏置电路中的大电阻和振荡器核心电路中在比较器输入端生成电压参考的大电阻,实现低功耗,同时达到减小电路面积,提高集成度的目的。采用0.18μm CMOS工艺进行设计,仿真结果表明,该振荡器可在0.8~1.2 V的电源电压下正常工作,在工作频率为2.2 kHz时,功耗为30 nW,工作频率的温度系数TC可达1.03×10^(-4)/℃,芯片面积相对于同类电路至少减小了70%。

一种三环结构高效率的数字LDO电路

设计了一种采用0.18µm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺制作的三环结构无片外电容数字低压差线性稳压器(LDO)电路,主要在控制方式进行创新,针对不同的输出电压范围采取相应的环路进行调整.电路的功率MOS管阵列按MOS管尺寸,分为大(L)、中(M)、小(S)3组,设计的控制方式使环路可根据负载变化迅速切换,使得电路具有快速的瞬态响应,较强的带负载能力,较低的输出电压纹波和功耗,转换效率最高可达88.9%.在1.8 V输入电压下的后仿真结果表明,负载电流在2~60 mA之间突变时,电路的下冲电压为95 mV,过冲电压为80 mV,恢复时间小于1.7µs,稳态下的输出电压纹波小于2.0 mV,总体静态电流约为43µA.该数字LDO的输入电压范围为1~1.8 V,输出电压范围为0.8~1.6V,内部集成10pF电容,品质因素FOM仅为0.009pF.