双胞胎结构介电湿润芯片的设计与实验

基于介电湿润效应的数字微流控技术在操作单个微液滴方面所表现出的独特优势使其已在生物、医学及化学等领域得到了广泛关注与应用.数字微流控芯片中较高的驱动电压不但容易使芯片的介电层被击穿,而且较强的电场会给液滴中的活性物质带来不可逆的损伤,因此,降低介电湿润芯片的驱动电压是很有必要的.通过理论分析得到由2块相同单极板共平面芯片构成的双胞胎结构芯片不但能获得较大的介电驱动力,而且临界驱动电压更低.实验结果表明采用双胞胎结构设计的芯片不仅能提高液滴的平均运动速度,而且可以有效地降低驱动电压,特别是在较低驱动电压时可获得更优的液滴驱动效果.     

基于液滴微流控芯片的单细胞分离

开发基于静电场力和集成微电极的微液滴操控技术以实现单细胞的分离.结合微流控技术的发展,设计并制作了以有机聚合物PDMS( polydinethylsiloxane)为材料的具有流聚焦结构的芯片,利用流聚焦结构的芯片,通过改变分散相和连续相的流速,制备包裹着悬浮癌细胞( HCT116)的海藻酸钠凝胶溶液微液滴,并对其包裹细胞数目进行统计分析,其中包裹单细胞的微液滴少于总液滴数的10％.受到液滴自带电现象的启发,通过集成微电极到微流控芯片中,利用电压脉冲产生静电场力,实现了单颗单细胞微液滴的电分离和富集.     

单平面EWOD器件在化学发光检测中的可靠性研究

研究了单平面透明介质上的电润湿(Electrowetting on Dielectrics,EWOD)数字微流体器件在化学发光检测器中的两个可靠性问题.一是通过对介质层的研究,使用PVD制备300nm Ta_2O_5介质层使驱动电压降低至20.7V,在驱动电压26.9V下速度达到40mm/s;二是通过设置片上加热器解决了Teflon的失效问题,使用1W功率加热5min实现片上疏水角恢复至120°.集成嵌入式加热器的EWOD器件用于葡萄糖检测时,最高灵敏度达到0.12V/(μmol·L~(-1)),检测范围1~20 000μmol/L,最低检测限为1μmol/L.     

一种单平面电极阵列结构的介质上电润湿数字微流控器件

一种高介电常数(K=7.6～11.6)的有机铁电聚合物材料——偏氟乙烯与三氟乙烯共聚物首次作为介质层用于介质上电润湿效应的数字微流控器件.在30 V的外加电压下,液滴与器件间的固-液接触角可以从118°下降到75°,并且呈现明显的电压极性相关性.基于此现象,设计并制作了新型的单平面电极阵列结构的数字微流控器件,简化了器件结构和工艺流程,整个工艺步骤可以与集成电路工艺兼容.新型器件成功实现了3μL的液滴的往返运输,工作电压只需20 V.     

一种新型双稳态微机电系统电磁微继电器的研制

介绍了一种基于微机电系统(MEMS)技术的新型双稳态电磁微继电器的设计及其制作工艺,并对其主要性能进行了测试.利用换向脉冲电流驱动高效的“三明治”式电磁驱动结构,带动电接触刷的运动来控制外电路的通断;辅助设计的永磁稳定结构使器件在脉冲间歇能够保持稳定状态而无需额外功耗.测试结果表明,这种新型电磁微继电器具有体积小,功耗低,响应速度快,接触电阻小等优点.     

单片机控制的微流控芯片微型气动装置系统设计

微流体控制和驱动技术是微流控芯片（Microfluidic Chip)的发展和应用的关键技术之一,介绍了一种基于STC90C516RD+系列单片机控制和驱动微流控芯片内管道内液体的电路结构设计。设计的微流控芯片上集成了微管道、微阀和气动微泵等结构,单片机通过外部的独立按键选择和控制电磁阀,实现对微流控芯片内的进样管道选择和流体控制。该系统结构简单、稳定可靠,适宜作为独立的系统实现微流控芯片的复杂控制。     

电润湿动力学描述及其非稳态研究进展

电润湿作为极具前景的微流体操纵技术是近年持续的研究热点,其应用广布于光学滤光片、微变焦透镜、芯片实验室、印刷、光纤以及反射式显示器等重要光流器件领域。本文对电润湿体系基础理论的进展做了简要综述,比较分析了主流能量最小化观点、热力学观点和电动力学观点对电润湿理论表达的区别和适用特点;重点讨论了基于能量平衡方法和流体力学方法的电润湿体系的动力学描述方法以及电润湿体系的动力学失稳现象的解释机理;展望了电润湿基础理论及其动力学研究面临的挑战和研究方向。     

通过介质层预注电荷提高射频微机电开关性能

为提高电容式静电驱动射频(radio frequency,RF)微机电系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)开关的驱动与使用性能,进行了模拟仿真。分析发现:随着开关次数的增加,介质层积累的电荷可以引起电容-电压曲线的偏移,进而引起开关的失效。为了避免这样的失效,通过在界面介质层内预注入适量的静电荷,并采用相应的新的驱动模式,可以在不改变开关结构参数的条件下,将最佳驱动电源电压幅值降为约原设计幅值1/2。对仿真分析的结论进行相关实验,一定程度上验证了设想的可行性。同时分析还发现如果采用适当的介电层材料,利用界面预注入的静电荷可能可以减慢电荷在介电层中的积累速度,从而维持驱动电压的稳定并延长开关的使用寿命。     

氮化铝声表面波器件表面微液滴的声表面波操控研究

声学操控是实现芯片级微流体操控的重要方法之一,如何实现在新型压电器件表面用声表面波有效驱动操控微升量级流体是该方法中一个非常关键的问题。通过在氮化铝薄膜声表面波器件表面滴放不同体积微液滴,在微尺度下利用高速摄相机和红外热像仪研究分析了声表面波操控雷诺数较小的液滴流体力学特征和声波热效应。结果显示在较低加载功率条件下观察到声波激发液滴内粒子流场轨迹呈现出典型稳定的双涡旋蝶形结构;而加载功率继续增大时,液滴定向输运过程中输运速率随加载功率增加而增大,进一步在较高功率下液滴出现了喷射现象,进而从理论上讨论了上述特征中的耦合操控机理。同时,观察到微液滴操控过程中的声波加热效应,液滴温度变化量随加载功率呈正比线性增大趋势,但在较高功率时出现偏离。对比分析了器件表面特定位置滴放微液滴前后器件表面温度和液滴温度变化量分别随加载功率线性增大的特点,提出液滴内热量的来源以液滴内的声波因克服流体粘滞阻力做功产生的贡献占主导。     

基于EOPCB的芯片网络

就电光印制电路板(EOPCB)上的芯间光互连提出了一种网络化的连接方案.本方案力图减少芯片间连接线数,消除芯片的控制线及时钟线,通过介质访问技术实现芯片间的互连.该方案假设每个芯片只有一个光收发器(VCSEL/PIN),芯片网络由电气层供电,并通过光互连通信.在假设条件下,芯片网络可采用总线型、环型或星型物理拓扑结构连接.给出了上述拓扑结构网络连接光路实现方法,分析了光路损耗对芯片接入数目的限制,并就适于网络化光互连的光电集成电路(OEIC)芯片结构及介质访问方式作了简单讨论.     

基于DSP的传感器高压控制系统设计

静电力驱动在微机电系统中的应用十分广泛,但采用静电力驱动时所需控制电压较高。设计一种以定点数字信号处理器TMS320F2812为核心的传感器高压控制系统,采用USB2.0与PC机进行通讯,接收致动器所需控制电压,并控制D/A转换器输出,经过高压放大后施加到传感器上。测试表明USB传输速率可以达到20 Mbytes/s,D/A转换速率达到30 MHz,电压范围在(0—300)V之间,整个控制系统可以满足静电力控制传感器所需高压。     

基于AT89C2051的车载冰箱逆变器的硬件电路设计

利用AT89C2051单片机设计了一种新型车用冰箱逆变器.它除了具有多种保护功能外,还有一种快速的电瓶电压检测电路,单片机可根据电瓶电压及时调整输出脉宽,稳定了逆变器输出电压.     

多芯片组件中带裂缝电源/接地板同步开关噪声分析

电源接地板上的同步开关噪声是制约高速电路发展的瓶颈，而目前同步开关噪声分析集中于规则电源接地板，与实际电路有一定差距。文中基于部分等效元方法分析多芯片组件中带裂缝的电源/接地板上的同步开关噪声；对不同尺寸位置的裂缝引起的同步开关噪声进行相应的时域模拟，得出了多芯片组件中电源/接地板上裂缝对同步开关噪声的影响。     

一种带保护电路的低功耗LDO

为了保护芯片不受电源电压起伏的影响,设计了一种应用于移动多媒体广播(CMMB)的带保护电路的低功耗低压降线性调节器(LDO);为了保证LDO的反馈环路在所有负载电流下均稳定,采用低增益、低输出阻抗的buffer来驱动输出管,使环路的相位裕度都高于40°;为了避免输出管在过流和过热时损坏,设计了过流保护电路和过热保护电路:过流保护电路将过载的电流限制在150 mA;过热保护电路包含滞回功能,在温度高于145℃时,过热保护电路将LDO关断,当温度低于125℃时,LDO重新打开。LDO的输入电压范围为1.5～3.3 V,输出电压为1.2 V。LDO采用0.35μm CMOS工艺设计,共消耗30μA的静态电流,最大负载电流为80 mA。芯片面积为380.2μm×198μm。     

基于单片机控制的智能化变频逆变电源研制

基于微处理器智能化和功率器件IGBT高速大电流的特点，研制出超音频调制频率的逆变电源，讨论了系统的硬件、软件设计和正弦脉宽调制（SPWM）波的生成和输出稳压方案的设计，提出了一种软件实现SPWM波的新方法。实验数据表明该系统具有良好的稳压性能和很小的波形失真，并且能够进行自检测、过流、过压、过热和短路保护等功能。     

不同时间尺度等离子体气动激励特性的测试诊断

为了揭示ns脉冲等离子体气动激励与流场附面层耦合作用机制,提高等离子体气动激励控制附面层的能力,对不同时间尺度的等离子体气动激励的放电特性和体积力等进行了测试诊断。实验结果表明:ms、μs、ns脉冲放电的放电电压相差不大,但ns脉冲的最大放电电流明显高于ms和μs脉冲,最高可达到4 A;激励电压越大,等离子体气动激励诱导体积力越大;ms、μs脉冲等离子体气动激励诱导体积力水平方向分量较大,ns脉冲水平方向体积力近似为零;ns脉冲垂直方向体积力不为零,与ms和μs脉冲相差较小。     

等离子体激励参数对圆柱绕流影响的风洞实验研究

为研究等离子体的激励参数对圆柱绕流的影响,在低速风洞中进行介质阻挡放电(DBD)等离子体激励控制圆柱绕流的实验。风速V_∞=8 m/s,基于圆柱直径的雷诺数Re=8.6×10~4。圆柱绕流的烟线流动显示、圆柱壁面和尾迹压力的测量和分析表明脉冲激励参数的变化对圆柱绕流的影响在尾流宽度、壁面静压分布、圆柱阻力、尾迹压力分布三方面均有所体现。激励频率在400 Hz左右时流动控制效果最佳。占空比在40%~80%范围内,流动控制效果较好。激励电压在9.2~13.2 kV区间内存在放电启动的临界电压值,在22~25.5 k V范围内激励效果最优。边界层分离点附近区域,激励对壁面静压和流速的影响较为显著。     

等离子体气动激励建模仿真综述

等离子体流动控制是一种新概念的主动流动控制技术,已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴的研究热点。分析了等离子体气动激励建模仿真的特点和国内外的研究现状,研究了目前常用的4种等离子体气动激励的建模仿真方法,对各种仿真方法的优缺点进行了归纳。分析了等离子体气动激励建模仿真研究的发展趋势,即今后更多的研究工作将偏向粒子模拟方法,建模时考虑的因素会越来越多,从非定常的角度对等离子体气动激励展开研究,使得模型与实际物理过程更加接近;更高来流速度下的等离子体流动控制的仿真研究将增多,和实际应用的条件更为接近。深入的仿真研究有助于揭示等离子体气动激励及其和边界层相互作用的物理本质,以促进等离子体流动控制技术在我国的研究和发展。     

90nm CMOS工艺高速锁相环设计与优化

基于TSMC90nm CMOS工艺设计了一款高速锁相环.为优化锁相环整体的相位噪声及参考杂散性能,分析了差分电荷泵和LC压控振荡器的相位噪声,并且讨论了多模分频器的设计方法.高速锁相环的整体芯片版图面积为490μm×990μm.测试结果表明,在频偏1MHz处的相位噪声为-90dBc,参考杂散为-56.797dBc.      

SDH专用集成电路MXLO21E1-3及其应用

发展同步数字系列 ( SDH)技术必须依赖专用集成电路。 MXL O2 1E1- 3是清华大学电子工程系自主研制和开发的大规模数字 SDH专用集成电路系列中的一片 ,它能同时完成 2 1个基群 E1到虚容器 VC4的映射及去映射 ,可由单片机进行配置与监控 ,全部电路都实现数字化 ,外围电路简单 ,应用方便。芯片中的关键技术是基群 E1解同步器的设计 ,MXL O2 1E1- 3采用了全数字化的统计预测法。介绍了该方法的原理并从理论上分析了它在抑制 E1输出抖动和漂移方面的性能。芯片的实际测量结果表明芯片的各项功能及性能指标都达到或超过设计目标。