一种核探测器多通道读出芯片NPRE及其分立模块的研制

近年来,多种先进粒子探测器系统开始使用专用集成电路芯片(ASIC),芯片的性能对探测器整体性能起着重要作用。论文设计了一种多通道核(粒子)探测器读出芯片,每个通道包含前放、成形、峰值保持等完整读出结构,同时也设计了每个模块单独使用的版本。其信号处理流程为低噪声前置放大器对信号先进行积分预处理,然后送入滤波成形电路形成准高斯型脉冲,峰值保持模块探测并保持其峰值供读出。芯片分立模块目前已完成大部分测试,工作正常,六通道完整芯片也准备与实际探测器联调试用。

MEMS壁面剪切应力传感器研究进展

壁面剪切应力的时间特性是用于反映单个动量运输过程中非稳态结构的一个测量参数,也是湍流中相干位点的一个表征方法,是一个重要的壁面湍流的物理量。目前,主要基于近壁或壁面处的平均速度梯度和换热率与壁面切应力成正比的基础上对MEMS壁面剪切应力开展研究。因此,对MEMS壁面剪切应力传感器进行综述。根据不同的测量方式,MEMS剪切应力传感器主要分为直接测量和间接测量两种类型。对每种测量方法的原理、研究现状、优点和限制进行分析。MEMS技术使得剪切应力传感器取得显著的进步,提高空间和时间分辨率,以及测量结果的准确度。但MEMS剪切应力传感器还需要进一步发展,并且量化测量中的不确定度,才能成为一种可靠的剪切应力测量技术。最后,对未来MEMS剪切应力传感器的发展方向进行总结。

一种适用于探测器读出系统的LVDS芯片的研制

研制了一种适用于高能物理中探测器读出系统的LVDS芯片,采用极低的电压摆幅实现高速差动传输数据,可以实现点对点或一点对多点的连接和传输。芯片包括驱动和接收两部分,均采用0.35um/3.3 V CMOS工艺设计,测试结果显示芯片基本达到预期研制目标。

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。

体声波双工器的优化设计方法

体声波(BAW)双工器中Rx滤波器对Tx滤波器的负载效应,会使Tx滤波器的插入损耗性能退化而带外抑制性能过剩,进而使得BAW双工器性能不佳。为了解决这一问题,提出了一种BAW双工器的优化设计方法。设置BAW双工器中Tx滤波器的串联薄膜体声波谐振器(FBAR)单元谐振区面积,及并联FBAR单元与串联FBAR单元谐振区面积比值为两组优化变量,通过牺牲Tx滤波器过剩带外抑制性能的方式,采用基于梯度的优化算法计算得到了两组优化变量的最终取值。以一个工作在FDD-LTE band 7的BAW双工器优化设计案例展示了该方法的应用流程。优化设计结果的仿真验证表明,Tx滤波器的插入损耗性能从2dB提升至1.1dB,带内波动性能从1dB提升至0.3dB。由此验证了该方法的可行性。

体声波滤波器的设计与微加工方法

提出了一种易于使用的薄膜体声波(FBAR)滤波器的4步设计方法,以一种FDD-LTE Band7的Rx滤波器为例展示了该方法的应用流程。第一步,根据FBAR滤波器的中心频率和带宽指标,确定FBAR薄膜叠层中各层薄膜的厚度。第二步,得到滤波器的电路结构。第三步,得到每个FBAR单元的谐振区面积;为此,将串联FBAR单元的谐振区面积、并联FBAR单元与串联FBAR单元的谐振区面积比值作为两组优化参数;将给定滤波器的插入损耗和带外抑制指标作为优化目标,利用ADS软件中的梯度优化算法,得到其优化值。第四步,旨在使滤波器的带内纹波最小化。设计中采用一种新的FBAR电极厚度调整方法,故意使串联FBAR的串联谐振频率与并联FBAR的并联谐振频率频率值不等,但相差很小,实现了该目标。由于案例设计结果中,SiO2支撑层的厚度仅300nm,需要在背面通孔刻蚀的微加工工艺中工序保留良好,因此,提出了一种基于绝缘衬底上的Si(SOI)圆片中埋氧层(BOX)缓冲的两步通孔刻蚀工艺方案,该方法利用了BOX的刻蚀自停止特性。研究结果表明,Rx滤波器插入损耗为0.6dB,在Tx频段的带外抑制为40.4dB,带内纹波为0.4dB。由此验证了该设计方法的可行性。

固态热机械密码鉴别器的安全性增强方法

针对固态热机械密码鉴别器(Solid State Thermal Mechanical Discriminator,SSTMD)在异常环境下安全性失效的问题,提出了其安全性增强的方法。该方法通过分析SSTMD中陷阱热机械开关(Thermo-Mechanical Switch,TMS)的工作原理,从实现其固有热弱链功能的角度,对SSTMD提出两条设计准则,加强了固有热弱链的作用,从而降低SSTMD在异常高温环境下的误解锁概率。通过分析SSTMD中路径TMS的工作原理,从实现SSTMD冲击弱链功能的角度,提出了在路径TMS绝热膜片背部刻蚀环形凹槽的方案,增强了SSTMD在异常冲击/振动环境下的安全性。并对SSTMD的安全性进行了分析,分析结果表明,不增加新的元件即可集成热弱链与冲击弱链的SSTMD设计,显著增强了其在异常环境下的安全性,更加适合对异常环境下的安全性也有严苛要求的要害系统应用。

基于FPGA无线远程遥控爆炸系统

针对地震勘探的需求,设计了一种通用、可靠的长距离无线远程遥控爆炸系统。该系统基于FPGA+STM32架构,不仅效率高、功耗低、体积小,并具有很强的系统稳定性。系统收发数据时,首先对数据进行卷积编码、Viterbi译码,能够有效地降低系统的误码率。利用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)作为主控制器,系统能够有效地处理数据,实现了远距离可靠引爆、控制和采集。

两种远距离时钟传输方式的性能比较

主要比较了在KM2A电子探测器原型样机读出电子学前期预研阶段中的两种远距离时钟传输方式的性能,介绍了基于Rocket IO高速串行数据收发模块和DS92LV16芯片的串并转换原理。分别测试了两种时钟传输方式的发送时钟和恢复时钟的相位关系,并对测试结果进行了比较。

LHAASO原型系统数据获取软件

介绍了一个基于VME/PowerPC控制器和嵌入式Linux操作系统的小型读出软件,包括运行于PowerPC控制器上的前端软件、运行于PC上的后端软件以及在线直方图软件3部分,实现了VME插件的数据读出、存储以及在线直方图等基本功能。在设计中,利用模块动态加载和XML描述数据格式等技术,独立于具体电子学、数据格式相关的模块,使该软件可以方便地移植到其它类似数据获取系统中。该软件已应用于大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)宇宙线实验的部分原型系统。

体声波梯形滤波器的布局设计方法

为保证滤波器性能,缩小滤波器体积,提高晶圆上的芯片数量,提出一种体声波(BAW)梯形滤波器布局的设计方法。该方法包括11条设计准则和设计流程。11条设计准则限制体声波谐振器(BAWR)的形状、位置,BAWR之间的距离,BAWR与焊盘的距离和互连线。设计流程有7个步骤:(1)根据每个BAWR的有效面积,预设每个BAWR的形状;(2)根据BAW梯形滤波器电路结构,排列BAWR;(3)"压缩"布局;(4)对BAWR切趾、微调和旋转;(5)对BAWR和焊盘布线;(6)检测滤波器布局是否符合设计准则;(7)使用声-电磁联合仿真,验证滤波器布局结果。以10个BAWR串并联而成的5阶BAW梯形滤波器为案例,展示了该方法的设计准则和设计流程。优化后的滤波器布局面积利用率达到了44%。对比未优化的滤波器布局,利用该方法优化后的滤波器布局提高了BAW滤波器的带内插损和带外抑制。

散裂中子源通用粉末衍射谱仪读出ASIC设计

介绍了一款针对散裂中子源通用粉末衍射谱仪的读出电子学系统[1]所设计的ASIC芯片MPR2。该芯片包含模拟和数字两个部分。模拟部分集成了64通道,是对针对MAPMT设计的芯片MAPMTROC[2]的升级。每个通道包含基于电流传输器的前置放大器、RC积分电路、CR-RC积分成形电路以及比较器等部分,分别实现增益调节、积分、积分成形和甄别输出等功能。数字部分将模拟输出的甄别结果进行并串转化后输出。要求芯片能够有效地甄别中子和γ信号,并给出中子信号的时间和位置信息。

电极化对FBAR应力负载效应影响的分析

基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的力学传感器有很大的应用潜力,但其应力负载效应的敏感机理尚不明确。电极化效应可能是应力负载效应的敏感机理之一。为了研究电极化效应对谐振频率的影响,提出了电极化效应的解析模型。首先根据在理想FBAR中并联谐振频率与纵波声速的关系,推导出并联谐振频率关于压电层材料参数的表达式;然后根据直流电压主要对FBAR的弹性常数和厚度的影响,推导出并联谐振频率与直流电压的关系;最后利用压电效应,得到了力载荷与并联谐振频率的关系。代入数值计算得到并联谐振频率的相对偏移量为+1.003%@400V,对比测试结果,并联谐振频率的相对偏移量为+0.90%@400V,验证了模型的正确性。计算了力载荷为1mN时,电极化效应导致谐振频率的偏移量约为0.5kHz。对比实验测得的应力负载效应对谐振频率的偏移量最低约为262kHz,证明了在应力负载效应中,电极化效应对谐振频率偏移的影响可忽略。