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碳基热声扬声器芯片的研究进展

微电子学 2024年

作者：王德波陈杰李华博南京邮电大学集成电路科学与工程学院

热声扬声器芯片是基于热声效应作为发声原理，通过空气周期性的膨胀收缩辐射出声波。相较于传统的动圈式扬声器芯片，其具有频响范围宽、无需振动元件、空间利用率高的显著特点。本文对碳基热声扬声器芯片的研究进展进行了综述，根据薄... 详细信息

热声扬声器芯片是基于热声效应作为发声原理，通过空气周期性的膨胀收缩辐射出声波。相较于传统的动圈式扬声器芯片，其具有频响范围宽、无需振动元件、空间利用率高的显著特点。本文对碳基热声扬声器芯片的研究进展进行了综述，根据薄膜类型的不同分为碳纳米管芯片、石墨烯芯片、MXene芯片、碳纳米管与石墨烯复合结构的芯片。根据这四大类型，介绍了近年来典型的八种热声扬声器芯片的制备流程、薄膜结构和输出声压级响应。最后，对这八种芯片的热声效率进行对比，并展望了热声扬声器芯片的未来，对其实际应用和推广起到了一定的作用。

关键词：热声扬声器芯片碳纳米管石墨烯 MXene 复合薄膜

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GaAs基高性能MEMS微波功率检测芯片

微电子学 2024年第1期54卷 134-140页

作者：朱越王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了提高电容式MEMS微波功率检测芯片的性能,设计了一种GaAs基高性能MEMS微波功率传感芯片。通过建立双导固支梁电容模型,分析了传感芯片的传输特性、过载功率与灵敏度特性。在双导固支梁电容模型中提出了平行极板的两个等效条件;同时... 详细信息

为了提高电容式MEMS微波功率检测芯片的性能,设计了一种GaAs基高性能MEMS微波功率传感芯片。通过建立双导固支梁电容模型,分析了传感芯片的传输特性、过载功率与灵敏度特性。在双导固支梁电容模型中提出了平行极板的两个等效条件;同时提出了一种新的梁宽等效方式,解决了双梁结构等效梁宽的失配问题,减小了模型的相对误差。双导固支梁电容模型很好地解释了导向梁的厚长比与初始高度对传感器过载功率和灵敏度的影响。测试结果表明,双导固支梁MEMS微波功率传感芯片在200 mW输入功率内的灵敏度为14.3 fF/W,而灵敏度的理论值为13.5 fF/W,两者的相对误差仅5.6%。因此,该理论模型对固支梁MEMS微波功率传感芯片的设计具有一定的借鉴意义。

关键词： MEMS 功率检测芯片固支梁双梁等效梁宽

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基于MEMS悬臂梁的微波功率检测芯片

微电子学 2024年

作者：徐奇睿丁治尹王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院

为了进一步提高微波功率检测芯片的性能，本文设计了一种新型MEMS悬臂梁结构的微波功率检测芯片。提出了MEMS悬臂梁微波功率检测芯片的负载响应理论模型，分析了检测芯片的力学特性。利用悬臂梁负载感测理论模型研究了MEMS悬臂梁检测芯... 详细信息

为了进一步提高微波功率检测芯片的性能，本文设计了一种新型MEMS悬臂梁结构的微波功率检测芯片。提出了MEMS悬臂梁微波功率检测芯片的负载响应理论模型，分析了检测芯片的力学特性。利用悬臂梁负载感测理论模型研究了MEMS悬臂梁检测芯片的过载功率和灵敏度，并将实验结果与悬臂梁负载理论模型进行对比。实验结果表明，检测芯片在9～12 GHz的频段内表现出优异的微波特性，回波损耗值小于-10 dB。特别地，在10 GHz的信号频率下，负载感测理论模型与实验测得的灵敏度数据相符，灵敏度理论值为154 fF/W，与测试值144 fF/W的相对误差仅为6.94%。由此可见，本研究提出的负载响应感测理论模型对于指导MEMS微波功率检测芯片的设计和性能优化提供了重要的理论支持。

关键词： MEMS 功率检测芯片悬臂梁负载响应理论模型灵敏度

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基于压电能量收集技术的自供电系统设计

微纳电子技术 2024年第2期61卷 103-110页

作者：马超群王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿... 详细信息

为了降低对传统电池的依赖,同时收集和利用汽车发动机的振动能量,设计了一种二自由度压电能量收集器和基于压电能量收集技术的自供电系统。系统主要由压电能量收集器、电源管理模块和加速度传感器组成。对压电能量收集器进行了建模、仿真和测试,得到了压电能量收集器的谐振频率和输出电压,测试结果表明该压电能量收集器前两阶谐振频率分别为105.5和124.6 Hz,并且在95~128 Hz频率范围内输出电压均在2.7 V以上,频率带宽为33 Hz。测试系统的整体功能,测试结果表明电源管理模块LTC3588-1输出3.34 V的直流电压,加速度传感器ADXL335能够正常工作。实验验证了压电能量收集技术在汽车电子领域中的潜力和可行性,为汽车电子设备提供可持续的自供电解决方案。

关键词：压电能量收集加速度传感器二自由度谐振频率自供电系统

基于MEMS固支梁的双通道微波功率检测芯片

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微电子学 2024年

作者：梁宇翔凌宇恬王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京邮电大学集成电路科学与工程学院

为了提高热电式微波功率检测芯片的过载功率，本文提出了一种基于MEMS固支梁的双通道微波功率检测芯片。通过在热电式芯片上集成一个MEMS固支梁，不仅能够对热电式芯片起保护作用，还可以提高其过载功率。对电容式和热电式检测通道分别... 详细信息

为了提高热电式微波功率检测芯片的过载功率，本文提出了一种基于MEMS固支梁的双通道微波功率检测芯片。通过在热电式芯片上集成一个MEMS固支梁，不仅能够对热电式芯片起保护作用，还可以提高其过载功率。对电容式和热电式检测通道分别建立理论模型，对灵敏度特性和过载功率进行了研究。测试结果表明，电容式通道灵敏度的测试值为2.21 fF/W，理论值为2.24 fF/W，与模型的理论值误差仅为1.34%；热电式通道灵敏度的测试值为0.03 mV/mW，与模型的理论值一致。过载功率模型表明，芯片的过载功率可以达到8.77 W。因此与单一热电式芯片相比，双通道芯片在实现高质量的小功率和大功率信号检测的同时，也提高了过载功率。因此，本文对于微波功率检测芯片的性能提升具有一定的借鉴意义。

关键词：功率检测芯片双通道固支梁灵敏度过载功率

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基于补偿结构的高集成微波功率检测芯片

微电子学 2024年

作者：徐奇睿凌宇恬辛泽辉王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京邮电大学集成电路科学与工程学院

为了减小微波功率电容式检测外围电路复杂度，提高芯片集成度和抗干扰能力，本文提出一种基于补偿结构的高集成微波功率检测芯片。建立了跷跷板型微机电系统(MEMS)梁的枢纽力学模型，基于此分析了芯片的过载功率和灵敏度。测试结果表明... 详细信息

为了减小微波功率电容式检测外围电路复杂度，提高芯片集成度和抗干扰能力，本文提出一种基于补偿结构的高集成微波功率检测芯片。建立了跷跷板型微机电系统(MEMS)梁的枢纽力学模型，基于此分析了芯片的过载功率和灵敏度。测试结果表明，8～12 GHz下，芯片的回波损耗小于-27 dB，具有良好的微波性能。芯片热电式检测通道的灵敏度为2.20 V/W@8 GHz，2.85 V/W@10 GHz和1.66 V/W@12 GHz。与传统结构不同，所设计的芯片电容式检测通道基于跷跷板结构采用外加直流补偿的方式测量微波功率，该研究对MEMS微波功率检测芯片集成度的提高具有一定参考价值。

关键词： MEMS 跷跷板结构微波性能直流补偿灵敏度

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一种高功率密度的直角螺旋压电能量收集器

微纳电子技术 2024年第3期61卷 93-100页

作者：刘宇轩马超群周佳成王德波南京邮电大学通信与信息工程学院南京210023 南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了实现振动环境下的高效能量收集,研制了一种高功率密度的直角螺旋悬臂梁压电能量收集器。分析了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的应力分布,研究了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的谐振频率、开路电压和输出功率。研究结果表明,随... 详细信息

为了实现振动环境下的高效能量收集,研制了一种高功率密度的直角螺旋悬臂梁压电能量收集器。分析了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的应力分布,研究了不同悬臂梁弧度的压电能量收集器的谐振频率、开路电压和输出功率。研究结果表明,随着悬臂梁弧度的增大,能量收集器谐振频率逐渐减小,但是内部阻抗逐渐增大,其中悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的输出性能最好。通过实验测试发现,在0.1g的加速度激励下,悬臂梁弧度为2πrad的直角螺旋能量收集器的谐振频率为265 Hz、开路电压为1.8 V,当负载为140 kΩ时,实现最大输出功率为5.79μW。与其他不同结构的压电能量收集器相比,该直角螺旋结构收集器在满足供电需求前提下,还具有较高的功率密度,在便携式微电子器件供电和工业设备故障检测方面有广阔的应用前景。

关键词：压电能量收集器直角螺旋悬臂梁谐振频率便携式设备

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圆弧螺旋型压电振动能量收集系统的设计

仪器仪表学报 2022年第10期43卷 50-57页

作者：邓丽城唐姝婷王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。该圆弧螺旋压电能量收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。理论分析不同弧度下能... 详细信息

为了实现低频、多方向能量收集和高输出性能,提出了一种圆弧螺旋结构的压电能量收集系统。该圆弧螺旋压电能量收集系统不仅可以降低谐振频率,减少系统体积,而且圆弧型悬臂梁具有不对称性,因此可以进行多方向收集。理论分析不同弧度下能量收集系统的应力分布、谐振频率以及输出性能。加工制备了2π、3π和4π圆弧螺旋压电振动能量收集系统并进行了性能测试对比。研究结果表明,4π圆弧螺旋压电能量收集系统具有更好的输出性能,谐振频率为47 Hz,输出电压达到23 V,输出功率达到353μW。该圆弧螺旋压电振动能量收集系统可应用于人体健康检测、环境控制系统、嵌入式系统、军事安全等应用领域。

关键词：圆弧螺旋压电能量收集谐振频率输出电压输出功率

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耦合式MEMS微波功率传感器的研究

仪器仪表学报 2022年第7期43卷 94-101页

作者：靳雷生辛泽辉王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了从根本上解决在线式微波功率传感器灵敏度、动态范围和微波性能之间的矛盾,本文创新性地设计出一种耦合在线式MEMS微波功率传感器,将微波功率的提取和检测两个过程相互独立。根据理论解析模型,得到了灵敏度特性与耦合度的关系,分析... 详细信息

为了从根本上解决在线式微波功率传感器灵敏度、动态范围和微波性能之间的矛盾,本文创新性地设计出一种耦合在线式MEMS微波功率传感器,将微波功率的提取和检测两个过程相互独立。根据理论解析模型,得到了灵敏度特性与耦合度的关系,分析对比了耦合度分别为10%和20%时的微波特性及灵敏度特性差异。实验结果表明:两种耦合式MEMS微波功率传感器的反射损耗均小于-20 dB,说明具有良好的反射性能;两种耦合式MEMS微波功率传感器的插入损耗均大于-1.5 dB,说明具有良好的传输性能。耦合度10%的系统灵敏度为1.2 mV/W@9 GHz、1.4 mV/W@10 GHz和0.8 mV/W@11 GHz,耦合度20%的系统灵敏度为2.4 mV/W@9 GHz、2.4 mV/W@10 GHz和1.3 mV/W@11 GHz,并具有良好的线性度。本文对于MEMS微波功率传感器研究具有一定的参考价值。

关键词： MEMS功率传感器悬臂梁灵敏度动态范围耦合度