薄膜体声波传感器及其读出电路进展

薄膜体声波谐振器(FBAR)具有高灵敏度、高工作频率,低功耗,小尺寸及制造工艺IC兼容的特点,使其成为高效能换能器和传感器的理想技术。基于FBAR的传感器,如高灵敏度质量传感器、DNA和蛋白质探测器、气体传感器、水银离子探测器和微区质量探测器,与采用其他微电子机械系统的同类传感器相比,已取得了更好的传感性能。该文综述了FBAR传感器的进展,特别是FBAR高灵敏度传感器、FBAR谐振式传感器及其高频读出电路;提出了采用六端口反射计实现FBAR换能器的射频频率偏移信号读出、基于单片微波集成电路或低温共烧陶瓷工艺制备的六端口网络构建集成FBAR传感器的原创设想。

基于六端口反射计的体声波传感器读出电路

由于体声波传感器具有灵敏度高,准数字量输出,便于集成和工作频率高等特点,使其近几年迅速发展,且因为体声波传感器具有工作频率高的特点,导致其读出电路部分复杂,不易集成,致使体声波传感器的实用性不高。为推进体声波传感器的实用化,该文提出一种基于六端口反射计的体声波传感器读出电路代替使用矢量网络分析仪的原创性设想。采用Agilent公司的射频仿真软件Advanced Design System初步验证了基于六端口反射计的体声波传感器读出电路的可行性,并给出了满足薄膜体声波谐振器的射频输出信号检测要求的六端口网络的电路设计。

集成化离子敏场效应传感器的研究进展

在介绍离子敏场效应晶体管(ISFET)传感器的应用和基本工作原理的基础上,阐述了集成化ISFET传感器的研究现状,包括ISFET敏感膜及其制造工艺与CMOS兼容性研究、集成化读出电路、多传感器集成等方面。展望了ISFET传感器的研究趋势,认为在以下方面值得探索和研究:敏感膜是把化学变量转换为电学变量的关键;高性能读出电路的研究;集ISFET、读出电路及后端信号处理电路于一体的低功耗ISFET传感器的系统集成;多功能、智能化的多传感器集成;研究集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源等于一体的微机电系统(MEMS);ISFET微传感系统的数字化集成等。

高性能弹用碲镉汞红外焦平面读出电路

研制出一种高性能弹用凝视型碲镉汞(MCT)中波红外焦平面CMOS读出电路(ROIC)芯片。读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,具有积分后读出(ITR)、积分同时读出(IWR)、长/短帧组合(COMBINED)积分和长/短帧插入(INTERLACED)积分4种模式可选功能,有效解决高灵敏度和大动态范围的矛盾;其他特征包括抗晕、多级增益可选、串口功能控制,以及全芯片电注入测试功能。该读出电路采用0.35?m DPTM标准CMOS工艺,工作电压5.0 V。测试结果体现了良好的性能:在77 K条件下,全帧频可到250 Hz(插入积分模式),功耗典型值为20 mW。

一种弱光成像用AlGaN APD阵列的读出电路设计

设计了64×64 AlGaN雪崩光电二极管(APD)阵列的读出电路,该读出电路采用了具有稳定探测器偏压能力的电容跨阻抗放大器(CTIA)结构。利用APD的等效电路模型,推导了电荷-电压转换因子(CVF)与积分电容、放大器增益的关系。为增加最大探测光电流、降低响应的非均匀性,利用上述关系得到积分电容为70fF,放大器增益为300。读出电路的地址选择采用移位寄存器来实现,并采用电压缓冲器实现信号的输出。

像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展

介绍了美国、法国等西方红外强国在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。基于像素级ADC(模数转换)数字读出电路(ROIC)的不同实现架构,阐述了美国MIT实验室、法国Sofradir及CEA-Leti公司开发的像素级ADC数字读出电路原理及像素级数字化长波制冷红外焦平面探测器的最新研究成果。最后介绍了昆明物理研究所在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破像素级ADC设计等关键技术后,研制出320×256(30?m中心距)像素级数字读出电路,并与相同规格的长波制冷红外焦平面探测器互连,主要性能参数与国外同类像素级数字化长波焦平面探测器相当。

SQUID读出电路的仿真及其调试电路的设计

超导量子干涉器件(SQUID)配合其读出电路可实现极其微弱磁场的测量,设计低噪声高性能的读出电路是SQUID应用中的一个重要工作。本文介绍了根据电路数学模型进行电路行为仿真的方法,对电路进行模块划分,建立各模块的数学模型,通过仿真分析影响电路性能的关键参数,进而指导具体电路的设计实现,同时介绍了一种调试电路的研制,可实现基于交流调制的磁通锁定式读出电路在常温下的调试。

非致冷红外焦平面阵列读出电路的噪声抑制

读出电路(ROIC)是非致冷红外焦平面阵列器件(UIRFPA)的关键组成部分之一。RO-IC性能的好坏直接影响到UIRFPA的性能,非致冷红外焦平面阵列读出电路的噪声抑制也是一个研究的热点。文章探讨了非致冷红外焦平面阵列读出电路的噪声及抑制方法。仿真实验结果表明,该方法具有一定的先进性。

体声波传感器的系统级行为仿真

为证明六端口网络可用于体声波(BAW)传感器读出电路,对包含薄膜体声波谐振器(FBAR)和微带六端口网络的BAW传感器最小系统建立等效电路模型。在ADS软件中对FBAR建立Mason等效电路模型和对微带六端口网络建立等效电路模型。微带六端口网络的端口1连接射频源,端口2与FBAR相连,其他4个端口分别连接4个50Ω的电阻用于读取功率;在Matlab软件中分别使用根心解法和平均解法对FBAR的反射系数进行求解,解得两条反射系数与频率曲线,分析得到了两种反射系数近似计算方法的优劣,并分析了六端口网络工作频带的增宽方法。仿真结果表明,微带六端口网络能准确测量出FBAR的反射系数与频率曲线,证明六端口网络可用于BAW传感器读出电路。

消除CMOS读出电路噪声方法研究

对红外焦平面阵列CMOS读出电路中几种常见的噪声及其抑制技术进行了分析和讨论,重点研究了消除读出电路噪声的新方法———双复位法。该方法克服了以往相关双取样的缺点,没有增加电路功耗和硅集成电路的复杂程度,只要电容参数选择合理,理论上能完全消除KTC噪声,而且对1/f噪声也起到抑制作用。

CTIA型读出电路的噪声抑制

分析和讨论了红外焦平面阵列CMOS读出电路中几种常见的噪声及其抑制技术,对电容反馈互导放大器(CTIA)型红外焦平面读出电路,给出了噪声抑制的仿真结果。

微带六端口网络的工艺健壮性分析

为确保微带六端口网络能替代矢量网络分析仪用于体声波传感器的射频输出信号检测,分别从微带金属导线的宽度误差和厚度误差对微带六端口网络工作频段的影响进行分析。采用ADS软件的射频等效电路仿真分析得出:微带金属导线的宽度对六端口网络的工作带宽影响较大,金属导体厚度对工作带宽的影响很小,几乎可以忽略不计;由于体声波传感器的读出电路对工作带宽的要求不高,微带六端口网络用于体声波传感器读出电路有良好的工艺健壮性。

新型体声波传感器读出电路的实验验证

为了实验验证此前通过仿真验证的基于六端口反射计的新型BAW传感器读出电路的方案的可行性,本文制作了新型BAW传感器读出电路并对其进行了测试。以串联谐振频率约为1.5 GHz的薄膜体声波谐振器(FBAR)为待测器件(DUT),设计、制作了一种能够满足该FBAR谐振频率测量带宽(1.3 GHz^1.7 GHz)要求的PCB上微带六端口网络和检波器,配合射频信号发生器和示波器,获得了模拟DUT(50ΩSMA匹配负载)的反射系数-频率(Γ-f)曲线测量结果。与矢量网络分析仪(VNA)的测量结果进行了对比,两者吻合较好,实验验证了"基于六端口反射计的BAW传感器读出电路"可用于FBAR谐振频率的测量。本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪(VNA-on-Chip)的设计都有借鉴意义。

具有TDMI功能的640×512双色碲镉汞焦平面读出电路

研制出一种应用于单铟柱结构的长/中波双色叠层碲镉汞640×512焦平面CMOS读出电路(ROIC)。根据单铟柱结构的双色叠层碲镉汞探测器实际应用需求,读出电路设计了单色长波积分/读出、单色中波积分/读出、长/中波双色信号顺序积分/读出、长/中波双色信号分时多路积分(TDMI)/读出等四种工作模式可选功能。输入级单元电路分别采用长/中波信号注入管、复位管、积分电容及累积电容,并分别采用读出开关缓冲输出。为提高读出电路的适应性,各色信号通路分别设计了抗晕管以提高探测器的抗晕能力;读出电路采用快照(Snapshot)积分模式,单色积分时具有先积分后读出(ITR)/边积分边读出(IWR)可选功能;当读出电路工作在单色或双色信号顺序模式时,各色积分时间可调;此外读出电路具有多种规格及任意开窗模式。该读出电路采用0.35?m 2P4M标准CMOS工艺,工作电压3.3 V。读出电路具有全芯片电注入测试功能,测试结果表明,在77 K条件下,读出电路的四种积分/读出模式工作正常,单色信号输出摆幅达2.3 V,功耗典型值为65 m W。

积分型全景取样保持电路

本文简要描述了一种具有宽带响应特性的积分型取样保持电路,并对电路设计和测量结果作了介绍。

应用于MEMS压力传感器的读出芯片设计

基于斩波技术和开关电容结构,研究并设计一款用于MEMS压力传感器的低噪声、高精度读出芯片。在经典三运放结构的基础上增加了斩波开关,并在传统自调零结构上进行改进,引入一种开关电容滤波器,实现对失调电压的消除。采用SMIC 0.18μm CMOS工艺,对所设计的电路进行仿真验证。仿真结果表明,在不同增益情况下,输出端的增益误差均小于0.1%;在0~650Hz范围内,等效输入噪声小于600nV,满足MEMS压力传感器输出信号的分辨率的要求。

用于红外焦平面阵列的等效像元电路设计

提出了一种用于300×400红外焦平面阵列读出电路的等效像元电路结构。该电路与氧化钒（VOx薄膜）制成的微机械系统（MEMS）的电特性等效,并能够模拟MEMS像元改变时支路电流的变化。红外面阵探测器读出电路在流片后,生长MEMS物理结构（VOx薄膜）前,该等效像元电路结构用于读出电路的电性能测试,从而剔除不良品,减少封装成本。该电路采用了Global Foundry 0.35μm工艺设计并流片。测试结果表明,当积分电流为0-200nA时,该等效像元电路的电性能与MEMS像元一致。

FBAR振荡器作为六端口反射计射频源的BAW传感器读出电路

为解决由于FBAR的谐振频率处于射频频段,导致BAW传感器读出电路难以实现的问题,将FBAR振荡器作为六端口反射计射频源,以检测FBAR谐振频率,从而实现BAW传感器信号读出的新型读出电路。在ADS软件中,通过建立FBAR的MBVD模型并采用Pierce拓扑结构实现FBAR振荡器的仿真模型,以及建立六端口反射计的仿真模型,并结合两个仿真模型建立BAW传感器的最小系统模型。BAW传感器最小系统模型的仿真结果表明:由FBAR振荡器和六端口反射计实现BAW传感器读出电路的可行性。为实验验证该结构,搭建一个基于微带六端口网络实物的六端口反射计实验装置,准确地测得1个案例FBAR振荡器的振荡频率为1.5 GHz,该振荡频率就是传感器表头中FBAR的谐振频率。

一种微型Pt温度传感器及其读出电路的研究

基于电阻温度系数(TCR)原理及微机电系统技术,设计并制作了一种用于微型聚合酶链式反应(PCR)芯片的Pt温度传感器及其读出电路。利用溅射和剥离技术将厚度为100 nm的弯曲条形Pt传感器制作在硅衬底上。其长度和宽度分别为2 030μm和10μm。设计了基于四线法温度测量的读出电路,该电路主要包括一个恒流源电路和一个电压放大电路。测试结果表明,该传感器的电阻温度系数为1.48×10-3℃-1,其电阻变化随着温度的变化具有良好的线性度,当温度在27～100℃变化时,电阻范围在653.5～716.5Ω变化。在接出一个8位的模数转换器以后,整个传感器和读出电路能确保一个精度为0.2℃的温度控制,满足一般PCR测量需要。

一个从丝室中同时获取带电粒子能量、位置和时间信号的前端电路

本文介绍了一个研究中子、带电粒子反应的实验装置中,低气压丝室信号获取的前端电路。该电路系统能同时获取粒子沉积的能量、位置和时间信息。系统经过了初步的设计制作阶段,现已安在装置上进行了实验,给出了用该电路系统分辨质子、α粒子的实验结果。