大尺寸AlN活性金属焊接覆铜基板的界面结合机理

基于190 mm×139 mm×0.635 mm的大尺寸AlN表面活性金属钎焊(AMB)覆铜板工艺制程,开展其界面显微组织、物相组成等的研究,确定钎焊界面结合机理,为制备大尺寸、低气孔、高剥离强度AlN-AMB覆铜板提供支持。结果表明,在大尺寸AlN-AMB覆铜板钎焊过程中,Ag-Cu-Ti合金钎料中的Ag-Cu合金与Cu箔扩散溶合,形成强的冶金结合界面。同时,钎料中的活性Ti原子向AlN基板表面扩散,并与其反应,生成厚度为0.5~1μm的TiN反应层,形成强的反应结合界面。此外,钎料熔体难以填充基板的AlN晶界和凹坑,其中的Ti原子也不与Y-Al-O第二相颗粒反应,导致AlN基板表面TiN反应层不连续分布,形成气孔,降低大尺寸AlN-AMB覆铜板的界面结合强度及可靠性。

基于大动态范围放大的无增益调节超声放大电路设计

针对大型复合构件状态动态变化过程和多谱成像检测的需求,提出了一种无增益调节的宽带大动态范围超声放大电路的设计方法,设计了一种带宽为10 kHz~1.25 MHz,增益大于120 dB的无增益调节的超声信号放大电路。该电路采用多级放大器对信号进行分级放大,分割门限控制和信号状态识别与记录,最后通过数据合成实现了超声发射信号、回波信号全信号大动态、宽频带范围超声的放大。仿真实验表明,该电路可满足大型复合构件状态变化中信号的放大和多谱成像检测需求,其电路设计方法也可应用于其他如冲击波测试、声学测量等领域。

带有阈值电压的非线性忆容器混合建模与特性分析

忆容器是在电感、电容和电阻基本电路元件之后出现的新型电路元件,因其具有非易失性和非线性特点,在众多领域中具有广泛的应用前景。为了使忆容器模型更接近实际忆容器和方便与其他二端口电路元件连接,通过引入阈值电压的方法改进了忆容器荷控数学模型,并利用Simscape和Simulink相结合的混合建模方法建立了带有阈值电压的忆容器二端口仿真模型。通过仿真实验分析了触发电压的幅值和频率对该仿真模型磁滞回线的影响。结果表明,建立的仿真模型符合忆容器的基本特性,即磁滞回线随电压幅值的增大逐渐变宽,随电压频率的增加逐渐变窄。该模型可为以后忆容器的应用研究和仿真研究奠定基础。

阵列式碳纤维复合材料的制备与微波吸收机理研究

以碳纤维为代表的碳材料具有质轻、导电性好、化学稳定性强等突出的物理化学性质,将其作为吸波剂使用可以提升材料的吸波性能、使用寿命并有效降低重量。通过“电场取向优化+基体灌封固化”的工艺完成了不同组分阵列式碳纤维复合材料的制备,采用SEM、FT-IR等手段对材料的形貌和化学成分进行表征,利用矢量网络分析仪对材料在2~18 GHz频段内的复介电常数和复磁导率进行表征,分析了微观结构对材料电磁参数、界面阻抗匹配及电磁波吸收性能的影响规律,最后研究碳纤维空间排布形式、复配粉体成分对其吸波性能的影响机制。结果表明,材料的电磁损耗机制由电介质损耗、干涉相消、界面极化弛豫、磁损耗共同构成;当复合材料厚度为2.0 mm时,反射率<-10 dB(6.1~7.6 GHz),在6.5 GHz处最大衰减值为-15.2 dB,热导率达到3.2 W/(m·K);验证所制备的材料在满足电磁波吸收功能的同时还具有一定的导热性。

一种低温漂低功耗的带隙基准电压源设计

为了提高DC-DC转换器的性能,提出了一种电压带隙基准。通过调节参数抵消掉两路电流的一阶温度项,得到了只具有常数项和高阶温度项的电流,从而在输出电阻上转化为电压补偿三极管的高阶温度项,进而使得带隙具有较低的温度系数。之后在输出端加上RC滤波器,使得高频段的电源抑制比得到提升。同时为了探索带隙在低功耗下的工作特性,几乎将所有MOS管置于亚阈值区,达到降低静态电流的效果。基于TSMC 0.18μm CMOS工艺完成了电路的设计与仿真,结果表明,在1.8 V的电源电压下,带隙输出为1.256 V;在-40~140℃的变化范围内,温度系数为6.3×10^(-6)℃^(-1);通过增加RC滤波器,高频电源抑制比为-65 dB@10 MHz;而且整个带隙的静态电流仅有6.2μA。

基于谐振变换器的串联储能单元均压控制策略

储能系统中通常通过串联多个储能单体得到更高的电压,但由于每个储能单体电压的不一致性会降低储能单元的利用率。针对以上问题,提出一种基于谐振变换器的串联储能单元均压控制策略。该均衡电路通过开关阵列与谐振变换器相互配合,实现任意单体之间和任意多单体之间的能量传递,且这两种能量传递模式均实现了零电流开关,减少了电路损耗。为获得最优均衡速度和均衡效率,采用K-Means聚类复合控制策略,优先对分组单元进行均衡,然后再进行单体间的均衡。最后,在Matlab/Simulink平台上对6个串联储能单体进行均衡仿真实验,实验结果表明,在静置均衡实验下,电压在24 min左右达到均衡,且均衡精度达到5 mV,均衡效率达到98.98%。与传统均压方法相比,该方法具有更快的均衡速度和更高的均衡效率。

TSV阵列在温度循环下的晶格变化对电学性能影响的研究

针对TSV(Through Silicon Via,硅通孔)热机械可靠性较差且其结构特性变化对电学性能影响情况不明的问题,基于一种TSV阵列叉指电极对样品开展了-55~125℃的温度循环试验,测试了温循后阵列电极的电学性能与边界绝缘性能变化,跟踪测试了TSV铜柱的几何尺寸变化,对比分析了试验前后TSV结构的形貌和晶格特性等衍化规律。结果表明,温度循环载荷导致了TSV-Cu晶粒向上生长、铜柱体积变大、微观结构缺陷产生以及电学性能退化;此外,还定量地构建了晶格特性变化对TSV阵列电极电学性能影响的关系架构,具有一定的工程意义。

蓝宝石高温弹性模量的理论计算和实验测量

蓝宝石因其良好的透光性和高温稳定性而成为光纤式高温压力传感器的理想结构材料。蓝宝石在高温下弹性模量的变化与其高温压力测量的准确性密切相关,因此获取高温条件下蓝宝石的弹性模量是设计和制备高温压力传感器的必要前提条件。基于高温原位XRD测试得到不同温度下蓝宝石的晶胞参数,然后利用第一性原理对蓝宝石的弹性性能进行了理论计算,得到蓝宝石高温情况下的弹性刚度矩阵和柔度矩阵。同时基于脉冲激振法,测量了室温至1200℃范围内不同取向蓝宝石样品的弹性模量,验证了理论计算结果的准确性。理论计算及实验结果均表明:随着温度的升高,蓝宝石的弹性模量减小,并且不同晶向之间存在显著差异。所获取蓝宝石的高温弹性模量数据可为相关高温压力传感器的设计提供基础数据参考。

基于阶梯阻抗谐振器的双频宽带滤波功分器

为了更好地满足无线通信系统对多功能、多频段射频前端器件的要求,提出了一种基于阶梯阻抗谐振器的双频宽带滤波功率分配器。首先,使用单个T形谐振器实现双频滤波单元,同时采用阶梯阻抗技术引入了单独可调的高次模用于展宽双频功分器的高频通带带宽;其次,利用枝节加载技术实现额外谐振模式的引入,展宽了双频滤波功分器低频通带带宽;为了实现小型化设计,对部分微带线进行弯折,使得整个电路结构更加紧凑。此外,利用T形谐振器自身的滤波特性和在微带馈线上加载的开路枝节,在带外产生四个可控的传输零点,提高了通带外选择性;通过在微带馈线上加载扇形枝节和在输出端口引入隔离电阻,有效改善了滤波功分器的带内阻抗匹配效果和隔离度。为了进一步验证,对所提出的滤波功分器进行了加工和测试。该滤波功分器的中心频率为2.83 GHz和4.87 GHz,相对带宽分别为10.6%和11.7%,通带隔离度均大于14.5 dB。测试和仿真结果基本一致。

基于谐波控制的Doherty功率放大器设计

功率放大器是无线通信里面重要的射频前端电路。为满足现代无线通信对功率放大器高效率的要求,首先基于谐波控制理论分析,设计了一种新型谐波控制电路,此新型谐波控制电路可对功率管产生的封装寄生参数进行补偿,也可对二次谐波、三次谐波进行谐波控制,提高了Doherty功率放大器效率。随后,针对传统Doherty功率放大器限制带宽的问题,提出了采用后匹配结构的方式设计Doherty功率放大器,提高了Doherty功率放大器的带宽。最后,采用Cree公司的CGH40010F GaN HEMT设计一款Doherty功率放大器并进行测试。在1.85~2.15 GHz工作频带内,Doherty功率放大器输出功率可达到44.3~44.8 dBm,增益为12~15 dB,输出漏极效率(DE)大于75%,6 dB回退效率大于60%。结果表明,提出的Doherty功率放大器在效率方面具有显著优势。

双栅GaN HEMT生物传感器仿真研究

GaN HEMT因具有优异的高灵敏度、快速响应特性、电学特性和生物相容性,其在生物传感领域具有广泛的应用潜力。为提升GaN HEMT生物传感器直接检测生物分子的灵敏度,提出了一种双栅结构分析模型,并使用Silvaco TCAD工具研究了其电学特性。从漏极电流、阈值电压和电势方面分析了单栅和双栅器件的结构特性,比较了其灵敏度。研究表明,在特定生物分子(尿酸酶、链霉亲和素、蛋白质和胆固醇氧化酶)的检测中,双栅GaN HEMT生物传感器的灵敏度分别比单栅器件高1.55%,2.18%,1.07%和3.3%。其中,增加空腔长度可以为生物分子与生物功能化层(AlGaN)的相互作用提供更多的面积,从而使传感器的灵敏度增加。因此,双栅和较大空腔的GaN HEMT生物传感器器件更适用于高灵敏度的应用。

可用于WLAN的双频MIMO天线设计

设计了一款可用于WLAN的双频MIMO天线。天线的正面为L型单极子,背面为金属接地板。通过在接地板上加载耦合枝节使天线具有双频特性。同时,为了天线的小型化,对耦合枝节进行了弯折处理,减小天线尺寸。在两个天线单元之间加载T型寄生枝节和刻蚀矩形缝隙来提高天线的隔离度。使用电磁仿真软件和矢量网络分析仪对天线进行仿真和实测,结果表明:天线的工作频段为2.4~2.55 GHz和5.1~6.3 GHz,覆盖了WLAN的频段,同时在低频段内隔离度高于19 dB,高频段内隔离度高于25 dB。此外,天线的包络相关系数小于0.01且具有全向辐射特性。天线整体性能较好,可以满足WLAN的需求。

H型栅NMOS器件Kink效应的研究

H型栅NMOS器件因其强抗辐照和低功耗等优势已逐渐成为PDSOI电路设计中的核心器件。但H型栅NMOS器件的Ids-Vds曲线会在漏极电压较高时发生明显的翘曲现象,称为Kink效应。该效应严重影响一定工作条件下的电路性能和稳定性。为此,依据实测和TCAD仿真数据,分析了H型栅NMOS器件发生Kink效应的机理,并且基于0.15μm SOI工艺,进一步量化分析了顶层硅膜厚度、阱浓度、栅尺寸、温度以及总剂量辐照等方面对Kink效应的影响。最终结果表明,高漏极电压下NMOS器件体区积累大量空穴导致寄生NPN三极管开启,从而引发了Kink效应。本工作完善了H型栅NMOS器件Kink效应的研究,为PDSOI电路设计中抑制Kink效应提供了有益的参考。

YSZ基极限电流型NO_(x)传感器研究进展

随着汽车尾气排放标准更加严格,NO_(x)传感器作为主要排放处理技术-选择性催化还原系统(SCR)的核心部件成为当下的研究热点。YSZ作为固体电解质的极限电流型传感器在监测精度和控制成本上有着显著作用。综述了近年极限电流型氧传感器和NO_(x)传感器的研究进展。介绍了传感器的历史发展、结构和工作机理。重点阐述了扩散层、电极层的材料选择和结构组成对传感器性能的影响。基于目前集成MEMS气体薄膜传感器的发展以及传感单元结构多腔耦合组合模型的不断完善,提出未来亟待解决的问题,预测可能的发展方向。

单端注入型LED的光电特性与灰度调制技术研究

Micro-LED拥有出色的亮度、高发光效率、低能耗、高反应速度、超高解析度与色彩饱和度等优势,且具备自发光和感测能力,是一项十分理想的显示技术。传统的直流灰度调控方法不再适用于驱动单端载流子注入结构的交流型LED,本文根据单端注入型LED器件在不同频率、幅度、占空比以及交流驱动模式下的光电特性,提出一种基于人眼视觉特性的相对占空比混合式灰度调制方案。结果表明,正负方波驱动模式下的器件在相同电压和频率下表现出更强的发光亮度,并且器件随着驱动频率的增加,发光亮度逐渐提升。最后,结合人眼视觉特性,验证了发光器件在不同相对占空比、幅度、频率的混合式调制方法下实现了由2个灰度到8个灰度等级的提升,为未来新型发光器件灰度调制提供新思路。

内部气氛含量分析环境下本底材料放气率研究

气密封装器件的内部气氛含量分析中,设备本底材料放气率是影响分析准确性的重要因素。采用静态升压法,对5种真空设备主要材料在3种典型温度和抽气时间下的放气率进行了深入研究。研究表明,相同条件下304不锈钢、430不锈钢和钛材料的放气率均低于碳素钢和高纯铝,且同种材料在高温环境下的放气率随测试时间增加而增大。最后,基于材料成型等因素,建议选用304不锈钢和430不锈钢作为内部气氛含量分析的腔体环境使用材料,并给出了有效降低本底放气率的措施。

基于钒钛磁铁矿尾矿的发泡陶瓷制备及性能研究

攀西地区铁尾矿的大量堆积严重污染了当地的生态环境。固废基发泡陶瓷吸波材料在解决铁尾矿堆积问题的基础上,推进了发泡陶瓷在吸波材料领域的应用。通过正交试验探索了烧结温度、保温时间和发泡剂掺量对发泡陶瓷物理性能的影响,并综合分析得出优选烧结方案:烧结温度为1190℃,保温时间为60 min,发泡剂掺量为质量分数0.3%。依照此方案制备的发泡陶瓷体积密度为0.23 g/cm^(3),体积吸水率为0.76%,抗压强度为0.73 MPa,导热系数为0.06 W/(m·K),孔隙率为89.89%。在正交试验制定的工艺基础上,探索了试样厚度对发泡陶瓷吸波性能的影响。研究结果表明:在烧结温度1170℃,吸波剂掺量为质量分数30%时,厚度为15 mm的发泡陶瓷吸波性能最优,在0.5~18 GHz的频率范围内反射损耗降低至-28.58 dB,显示出2.35 GHz的有效吸收带宽。该研究为钒钛磁铁矿尾矿的资源化利用和发泡陶瓷在吸波材料方面的运用提供了参考。

热、振及热振耦合作用下IGBT模块失效分析

针对功率器件IGBT模块在多场载荷作用下的焊层失效问题,设计并构建了IGBT模型,基于有限元仿真软件对IGBT模块进行热循环、随机振动以及热振耦合试验,并对三种载荷条件下失效位置的分布规律以及失效模式进行对比分析。结果表明,在热循环载荷条件下,应力集中在DBC焊接层下表面中心位置,最大应力值为226.84 MPa;在随机振动载荷条件下,应力集中在DBC焊接层下表面周边边角位置,最大应力值约为0.0023 MPa;在热振耦合条件下,应力集中在DBC焊接层上表面靠近中心及周边边角位置,最大应力值为377 MPa。热振耦合条件下的焊料层力学行为表现有所变化。研究结果对多种不同载荷下功率器件IGBT模块的响应特性分析提供参考,同时为模块结构的设计提供理论依据。

PAN静电纺丝膜基摩擦纳米发电机的性能研究

环境能源的利用可以有效缓解资源匮乏和电池污染带来的负面影响,其中风能是最具有潜力的能源之一。为了有效的利用生活中的风力,设计了一种颤振式的摩擦纳米发电机,其工作模式为接触独立层模式。该发电机以静电纺丝膜聚丙烯腈和聚偏氟乙烯作为摩擦材料,研究了风速、器件间隙、颤振膜尺寸对频率和电输出信号的影响。结果表明:PAN静电纺丝膜用作摩擦正极层,具有极好的机械性能、耐高温稳定性。选用PVDF静电纺丝膜作为负摩擦电级,PVDF静电纺丝膜具有较高的耐磨性和极化程度。F-TENG的最大输出功率可以达到164.6μW,短路电流为9.69μA,开路电压约为112.3 V。风力驱动的F-TENG可以点亮最少150个商业用LED。通过和整流装置的连接可以为小功率用电器(计算器)进行供电。拓展了静电纺丝膜在摩擦纳米发电机上的应用。

空间辐射环境下SiC功率MOSFET栅氧长期可靠性研究

利用等效1 MeV中子和γ射线对1200 V SiC功率MOSFET进行辐射,研究了电离损伤和位移损伤对器件的影响,并分析了辐射后器件栅氧长期可靠性。结果表明:中子辐射后器件导通电阻发生明显退化,与辐射引入近界面缺陷降低载流子寿命和载流子迁移率有关。时间依赖的介质击穿(TDDB)结果表明,栅泄漏电流呈现先增加后降低趋势,与空穴捕获和电子捕获效应有关。中子辐射后栅漏电演化形式未改变,但氧化层击穿时间增加,这是中子辐射缺陷增加了Fowler-Nordheim(FN)隧穿势垒的缘故。总剂量辐射在器件氧化层内引入陷阱电荷,使得器件阈值电压负向漂移。随后的TDDB测试表明,与中子辐射一致,总剂量辐射未改变栅漏电演化形式,但氧化层击穿时间提前。这是总剂量辐射在氧化层内引入额外空穴陷阱和中性电子陷阱的缘故。