新型传感材料与器件专题

• 碲基金修饰场效应管型二氧化氮传感器

  李毅;梁峻阁;杨亚杰;

  NO_2作为机动车尾气和工业排放中最常见的污染物之一，其预警监测对于环境与人体健康有着重要意义。工业生产与人民生活的智能化趋势对传感器在高性能、微型化、集成化等方面提出了更高要求。场效应管作为一种重要的电学器件结构，由于与MEMS工艺兼容，在器件的小型化和集成化方面具有巨大优势，因而基于新结构与新材料开发高性能场效应管型NO_2传感器具有重要研究价值。本工作通过水热法合成了碲纳米带沟道材料，通过表征证实了材料的条带状形貌与单晶结构，并在此基础上完成了碲基场效应管的制备。为进一步提升器件的响应特性，对沟道表面进行了金修饰，并对比测试金修饰前后的气敏特性。金修饰后器件响应恢复速率加快，基线漂移得到改善，检测下限拓宽至100ppb,同时传感器表现出良好的选择性与重复性。从载流子迁移、Au与Te的金属-半导体接触、器件比表面积与化学吸附氧的作用几个角度对气敏机理进行分析，建立了碲基场效应管型NO_2传感器敏感机理模型。本工作为场效应管型有毒有害气体传感器的设计制备与增敏提供了一种有效策略。

  2024年04期 v.43;No.386 379-386页 [查看摘要][在线阅读][下载 1844K]
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• 用于火电厂NO_x检测的Pt-In₂O₃传感器吸附及传感机理研究

  杨家隆;吴宝良;卢德滔;马世龙;周渠;

  火力发电产生的NO_x会对生态环境和公众健康造成严重危害。目前，我国对火电厂NO_x检测主要采用非分散红外技术和化学发光技术，需要对烟道的样气进行人工采样，步骤繁琐且无法实现对NO_x准确检测，半导气体传感器具有体积小、响应快速和成本低等优点，而广泛应用于气体污染物的检测。本文采用水热法制备了本征In_2O_3和Pt-In_2O_3气敏材料。基于搭建的微量气体气敏测试平台，测试了In_2O_3基传感器对NO和NO_2的浓度响应和响应恢复时间。研究表明，Pt-In_2O_3传感器对30ppm NO_2和NO的响应值分别为7.7和10.3,响应恢复时间分别为23 s/41 s和18 s/46 s,能够满足对火电厂NO_x检测的要求。另外，基于密度泛函理论计算了各吸附模型的吸附能和态密度以揭示其气敏机理。分析结果表明，Pt-In_2O_3对NO(-1.55 eV)和NO_2(-0.92 eV)表现出强烈的化学吸附，与宏观实验测试结果一致。因此，Pt-In_2O_3传感器可实现火电厂NO_x气体检测。

  2024年04期 v.43;No.386 387-394页 [查看摘要][在线阅读][下载 1999K]
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• 基于GaN纳米薄膜的室温三甲胺气体传感器

  李荣超;菅傲群;袁仲云;杨琨;禚凯;

  三甲胺在实验室和工业生产中被广泛使用，由于其具有毒性和挥发性，开发能够在室温下对其进行检测的传感器尤为重要。采用气喷旋涂和高温氮化的方法制备出GaN纳米薄膜，再利用磁控溅射仪对薄膜的两端溅射覆盖一层金作为电极制作成气体传感器单元并进行了一系列气敏测试。在室温条件下，GaN纳米薄膜传感器对10ppm三甲胺的响应值为2.54,响应/恢复时间分别为41 s和139 s,检测下限为1ppm。传感器在1ppm～50ppm三甲胺浓度范围内也呈现出良好的线性响应，并具有优异的重复性、稳定性和选择性。GaN纳米薄膜传感器的表面堆积覆盖有许多的纳米颗粒，形成的独特结构有利于气体分子的吸附。纳米薄膜表面存在大量的化学吸附氧，使得传感器对三甲胺展现出良好的传感性能。

  2024年04期 v.43;No.386 395-401+410页 [查看摘要][在线阅读][下载 1808K]
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• 基于镓基液态金属的电容式柔性压力传感器

  金皓;张宇;秦亚飞;李泰泉;

  旨在设计并测试一种基于镓基液态金属的电容式柔性压力传感器。该传感器由镓基液态金属镓铟锡合金(Galinstan)、炭黑(CB)以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)以牺牲模板法制作传感器介电层，同时通过丝网印刷技术将镓基液态金属共晶镓铟合金(EGaIn)印刷于普通织物上制备传感器电极。完成传感器封装后，对传感器进行各项传感性能的测试。测试结果表明，该传感器具备较高灵敏度(0.18 kPa~(-1)),低迟滞性，快速响应时间(140 ms)及恢复时间(180 ms),并展现出优良的循环耐久性和稳定性。此外，还探讨了该传感器在监测人体运动，如自行车踏频监测和步频监测等方面的潜在应用，证明其在运动分析和健康监测领域的有效性。通过这些实验和分析，证实了该传感器作为一种新型柔性压力传感器的可行性和应用潜力，为未来的研究和应用提供了有价值的参考。

  2024年04期 v.43;No.386 402-410页 [查看摘要][在线阅读][下载 2041K]
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• 双栅GaN HEMT生物传感器仿真研究

  王保柱;刘莎;张明;杨琳;段磊;

  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。

  2024年04期 v.43;No.386 411-416页 [查看摘要][在线阅读][下载 1710K]
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• 基于BLDC的气象温度传感器设计与实验研究

  薛良玉;刘清惓;杨杰;许广佳;张旭;

  针对自然通风温度传感器受太阳辐射影响后测量精度较差，而强制通风温度传感器功耗大、能耗浪费严重等问题，设计了一种基于无刷直流电机(BLDC),将自然通风与强制通风相结合的新型温度传感器。首先利用计算流体动力学(CFD)方法量化传感器在不同环境变量及电机转速下的辐射误差，并基于此制定电机转速的控制策略。其次利用粒子群优化的神经网络算法对仿真数据进行训练学习，并拟合成辐射误差修正方程。最后搭建户外测试平台验证新型温度传感器的测温精度以及修正方程的修正效果。实验结果表明，新型温度传感器具有较高的温度测量精度，其修正值与基准值的差值的平均绝对误差(MAE)和均方根误差(RMSE)分别为0.035℃和0.043℃。

  2024年04期 v.43;No.386 417-423页 [查看摘要][在线阅读][下载 2464K]
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• 柔性电子复合薄膜贴附于仿真皮肤上的延展性研究

  张泽;陈诚;李子赟;王涛;任春华;

  为评价柔性应变传感器应用于人体皮肤不同工况下的延展性，制备了一种马蹄形金属导线-PDMS基底复合结构的柔性电子复合薄膜，选择邵氏硬度为10的双组分加成型硅胶作为仿真皮肤材料进行离体实验。首先，利用数字图像相关(DIC)方法获得样品贴附在不同厚度仿真皮肤上拉伸变形过程中的位移场与Von Mises应变场；其次，提出应变均值M与断裂伸长率e作为评价指标定量表征样品的延展性，分析仿真皮肤厚度与环境温度对延展性的影响。结果表明，皮肤厚度与环境温度变化对柔性电子复合薄膜延展性均有显著影响，当皮肤厚度为2 mm,环境温度为40℃时，样品延展性最佳，断裂伸长率达到145%。该研究定量分析了柔性电子薄膜在不同应用工况下的延展性，为柔性应变传感器的强度设计提供参考。

  2024年04期 v.43;No.386 424-430页 [查看摘要][在线阅读][下载 1603K]
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研究与试制

• 基于LMO和AC电极的锂离子超级电容器质量比调控

  黄廷立;夏恒恒;杨重阳;

  锂离子超级电容器结合了超级电容器高功率和锂离子电池高能量的特点而备受关注，正负极质量匹配对发挥锂离子超级电容器的性能至关重要。本文基于锰酸锂(LMO)正极、活性炭(AC)负极和乙腈电解液，设计制作了不同正负极质量比软包锂离子超级电容器，系统考察了电极质量比对锂离子电容器电性能、工作电压和低温性能的影响。结果表明：随着正负极质量比增大，锂离子电容器容量增大，倍率性能和低温性能提高，充放电曲线在高电极质量比下呈现线性关系，能量密度呈现先增大后减小的趋势。正负极质量比2/1时，锂离子电容器综合性能最优，50C的容量达到1C时的78.0%,最大功率密度为7247 W·kg~(-1),2.3 V下器件最大能量密度达到9.5 Wh·kg~(-1),3.1 V下器件和活性物质的能量密度分别提高至20.2 Wh·kg~(-1)和65.0 Wh·kg~(-1)。但宽工作电压会带来寿命衰减，在1～2.3 V充放电循环10000次容量保持率为93.0%,而在0.5～2.5 V充放电循环5000次容量保持率降至84.5%。在-40℃容量是25℃时的57.8%,能量密度依然还有5 Wh·kg~(-1)(2.3 V)。

  2024年04期 v.43;No.386 431-437+446页 [查看摘要][在线阅读][下载 1907K]
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• 基于谐振变换器的串联储能单元均压控制策略

  王超;王翔宇;韩立;刘小虎;吴铁洲;

  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。

  2024年04期 v.43;No.386 438-446页 [查看摘要][在线阅读][下载 2142K]
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• 具有自适应浮空分裂栅IGBT的特性研究

  吴振珲;廖淋圆;赵书;张涛;

  为降低传统绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关损耗E_(SW),提出了一种具有自适应浮空分裂栅的IGBT结构(AFSG-IGBT),并进行了仿真研究。此结构在传统载流子存储沟槽栅双极晶体管结构(CSTBT)的基础上，在沟槽栅中集成了分裂栅和P型结型场效应晶体管(JFET)。栅极与P型JFET相互耗尽，可以大幅降低米勒电容C_(GC),并且降低E_(SW)。在AFSG-IGBT导通时，P型JFET的沟道被夹断，使分裂栅保持在浮空状态，从而保证足够的注入增强效应。仿真结果表明，相比于CSTBT,AFSG-IGBT在高集电极电压下C_(GC)降低了79.7%,栅极电荷Q_g降低了52.6%。在导通压降(V_(ON))为1.4 V和集电极电流为100 A/cm~2的条件下，AFSG-IGBT的开通损耗E_(on)和关断损耗E_(off)分别比CSTBT低了37.1%和28.5%,并且该结构在驱动电阻分别为5Ω和10Ω时都显示出更优良的V_(ON)-E_(SW)折中关系。

  2024年04期 v.43;No.386 447-453页 [查看摘要][在线阅读][下载 2222K]
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• Mist CVD生长的雾滴迁移与早期沉积研究

  吴诗颖;陈琳;蒋少清;郭方正;陶志阔;

  第三代半导体材料α-Ga_2O_3因其超宽带隙(5.3 eV)和超高巴利加优值(6726)在制造高功率器件等电子器件方面更具优势。在α-Ga_2O_3的诸多生长方法中，Mist CVD简化了前体输运，是亚稳相薄膜较有前景的生长技术。针对早期雾滴分布会制约薄膜质量的问题，使用计算流体力学(CFD)对α-Ga_2O_3的水平热壁Mist CVD系统进行了多相流反应的瞬态数值仿真研究。基于雾滴迁移与气化模型，研究影响雾滴蒸发时间的因素，解释了雾滴迁移长度对初始外延质量和平均生长速率的作用。在影响α-Ga_2O_3薄膜生长分布的诸多变量中，对衬底温度、衬底位置及衬底角度等关键参数进行了优化。结果表明，26.5°的衬底角度、距离出口78 cm的衬底位置和550℃的衬底温度具有较好的雾滴迁移分布，是有利于薄膜成核生长的优化条件，为实际生长与制备提供生长参数。

  2024年04期 v.43;No.386 454-460+467页 [查看摘要][在线阅读][下载 1451K]
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• 基于周期性枝节加载的微带线串扰抑制研究

  李恪鹏;钟选明;尚玉平;廖成;

  针对当前印刷电路板上相邻微带线之间的串扰抑制问题，提出了一种在超宽带频率范围内利用周期性耦合枝节来抑制微带线远端串扰的电磁兼容设计。在串扰的形成原因分析基础上，该设计将沿传统微带线纵向方向加载的周期性开路枝节进一步与相邻两条微带线之间周期性加载的工字型耦合枝节相结合。微带线上的开路枝节以及线间的耦合枝节主要用于增加微带线等效自感和线间等效互容，并减小线间等效互感，由此显著降低远端串扰强度。同时，线间等效互感的减小能抑制因容性耦合增大而导致的近端串扰上升。全波结果表明，该设计在1～20 GHz范围内可使相邻微带线的远端串扰强度小于-48 dB,且物理结构中不涉及金属化通孔，具有几何结构简单、成本低和可布线空间大等特点。

  2024年04期 v.43;No.386 461-467页 [查看摘要][在线阅读][下载 1905K]
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• 基于自适应偏置的无片外电容LDO设计

  谢雷婧;张家豪;

  提出了一种无片外电容低压差线性稳压器(LDO),该稳压器采用有源频率补偿(AFC)电路和自适应偏置电路在宽负载范围内实现快速瞬态响应。有源频率补偿(AFC)电路采用双环路微分器结构，不仅有效减小了片上补偿电容的面积，而且提高了整体电路的瞬态响应。采用源极跟随器结构实现的自适应偏置电路用于有源频率补偿电路的偏置，进一步改善了LDO的瞬态响应。电路采用SMIC 0.18μm标准CMOS工艺制造，有效芯片面积为0.038 mm~2。仿真结果表明，在200 mV压差下，最大输出电流为150 mA,最大负载电容为100 pF。在边沿时间为100 ns的最大负载电流变化时，过冲和下冲电压分别为185 mV和405 mV,电路恢复时间分别为0.45μs和0.2μs。

  2024年04期 v.43;No.386 468-473页 [查看摘要][在线阅读][下载 1402K]
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• 一种高频宽带横向叠堆型换能器的研制

  魏彤;王宏伟;苏晋涛;

  针对声纳系统对换能器提出的高频宽带要求，研制了高频宽带横向叠堆型换能器。该换能器通过降低品质因数和多模耦合等方式，有效地拓展了换能器的工作带宽。利用有限元分析软件对单层1-3-2型复合材料及横向叠堆型复合材料进行仿真，得到单层1-3-2型复合材料的谐振频率和带宽的变化规律，并根据仿真结果优化横向叠堆型复合材料的尺寸，使得该横向叠堆型复合材料的工作频率处于高频范围。通过特殊的制备工艺法，制作了横向叠堆型换能器。经测试，该换能器的发送电压响应最大可达158 dB,-3 dB带宽达到70 kHz,谐振频率处的-3 dB波束开角为11°。该横向叠堆型换能器实现了高频宽带的目标。

  2024年04期 v.43;No.386 474-480页 [查看摘要][在线阅读][下载 2476K]
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• 集成波前转换与极化转换功能的低散射超表面设计

  梁敏;尚玉平;崔浩;冯菊;廖成;

  针对复杂电磁环境中的多功能微波复合材料设计问题，提出了一种兼具通带内波前转换与极化转换以及通带外雷达散射截面减缩功能的超表面设计。超表面在两个正交的横向方向上维持相同的透射相位梯度以及固定的π/2透射相位差异，以实现具有平面波前的圆极化电磁波与具有球面波前的线极化电磁波之间的互易转换。同时，通过级联频率选择有耗层构造了电路模拟吸波结构，以使超表面在透波窗口外的雷达散射截面得到有效减缩。进一步，由一副线极化渐变缝天线单元作为置于球面波相位中心处的初级辐射源，在透射后的主瓣方向上宽频范围内观察到了具有增强增益和圆极化特性的次级辐射，增益增强带宽为57.14%,主瓣方向3 dB轴比带宽为35.50%。在透波窗口外的低频端，不低于10 dB的雷达散射截面减缩带宽可达113.12%且该减缩效果具有良好的斜入射稳定性。实测结果和全波仿真结果的良好吻合验证了该设计的有效性。

  2024年04期 v.43;No.386 481-489+504页 [查看摘要][在线阅读][下载 3233K]
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• 埋地管道检测中的窄带通滤波器设计与仿真

  闫宇晴;任旭虎;吴鹏宇;闫臣熙;王文倩;

  埋地金属管道铺设环境错综复杂，在管道定位过程中，接收机需要从管道辐射的多频信号中有效分离出128 Hz定位信号，滤除高频信号和50 Hz工频信号。针对埋地管道检测的现实需求，设计了9种不同类型和拓扑结构的四阶128 Hz窄带通滤波器，并通过Multisim14进行仿真分析。结果表明，同种拓扑结构不同电路结构的滤波器幅频特性曲线相同，输入输出增益稍有不同。这9种滤波器的中心频率均在128 Hz附近，其中1 dB切比雪夫型MFB滤波器带宽最窄，为36.803 Hz,Q值最大，为3.473。进一步分析表明，1 dB切比雪夫型MFB滤波器能够有效提取128 Hz信号并滤除干扰信号，在-3 dB带宽(108～145 Hz频率范围)内，滤波器噪声不超过0.132μV·Hz~(-1/2)。另外该滤波器在温度和电容容差等因素的影响下，表现出较小的幅频特性变化，具有良好的稳定性。

  2024年04期 v.43;No.386 490-496页 [查看摘要][在线阅读][下载 1441K]
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• 电子式漏电断路器分段寿命预测方法研究

  石颉;孔令崧;孙浩;胡立新;

  传统寿命预测使用Arrhenius方程计算的平均活化能来反映断路器老化速率，并据此计算断路器的使用寿命。这种做法忽视了各电子部件的老化程度在老化不同时期中的差异，从而无法准确地反映断路器的整体老化速率。对此，提出了一种基于Arrhenius方程的分段式寿命预测方法，该方法使用剩余动作电流作为老化特征参数，并将整个老化过程分段，通过各阶段在不同温度应力条件下的老化时间，计算各阶段平均表观活化能，从而计算阶段寿命，最后将各阶段的寿命相累加，得到断路器的寿命预测结果。该方法更加符合真实情况下的漏电断路器，预测结果更加接近实际寿命。

  2024年04期 v.43;No.386 497-504页 [查看摘要][在线阅读][下载 1160K]
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