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关键词： Design implications   Domestic technology   Sensors   Technology probes   Saharan Africa  

摘要： In sub-Saharan Africa (SSA), homes face various challenges including insecurity, unreliable power supply, and extreme weather conditions. While the use of sensor-based technologies is increasing in industrialized countries, it is unclear how they can be used to support domestic activities in SSA. The availability of low-cost sensors and the widespread adoption of mobile phones presents an opportunity to collect real-time data and utilize proactive methods to monitor these challenges. This dissertation presents three studies that build upon each other to explore the role of sensor-based technologies in SSA. I used a technology probes method to develop three sensor-based systems that support domestic security (M-Kulinda), power blackout monitoring (GridAlert) and poultry farming (NkhukuApp). I deployed M-Kulinda in 20 Kenyan homes, GridAlert in 18 Kenyan homes, and NkhukuProbe in 15 Malawian home-based chicken coops for one month. I used interview, observation, diary, and data logging methods to understand participants’ experiences using the probes. Findings from these studies suggest that people in Kenya and Malawi want to incorporate sensor-based technologies into their everyday activities, and they quickly find unexpected ways to use them. Participants’ interactions with the probes prompted detailed reflections about how they would integrate sensor-based technologies in their homes (e.g., monitoring non-digital tools). These reflections are useful for motivating new design concepts in HCI. I use these findings to motivate a discussion about unexplored areas that could benefit from sensor-based technologies. Further, I discuss recommendations for designing sensor-based technologies that support activities in some Kenyan and Malawian homes. This research contributes to HCI by providing design implications for sensor-based applications in Kenyan and Malawian homes, employing a technology probes method in a non-traditional context, and developing prototypes of three no

关键词： 用工荒   传感器技术   三双培养   实践教学  

摘要： 近些年，很多用人单位对物联网领域的人才需求出现严重不足状况，人才供需出现失衡的情况越来越严重。导致这一现象的主要原因之一，就是高校对物联网专业人才培养与企业需求的脱节，导致人才供需结构性矛盾。传感器技术这门课程是物联网工程专业的一门专业核心课程，也是一门专业必修课程，这门课程对物联网领域的人才培养又起到关键的作用。本研究基于这样的背景下，提出了基于“三双培养”的传感器课程教学模式。“三双培养”的传感器课程教学模式改变了原有的教学和实验方法，采用“应用能力+创新能力”双能力培养，“教师+工程师”双师资教学，“校内课程+校外企业课程”双课程学习的教学模式。通过使用该教学模式，取得了良好的实践教学成果。

关键词： 永磁磁通切换电机   脉振高频注入   零序电压   位置辨识精度   转矩脉动   转速波动  

摘要： 多相永磁磁通切换电机具有转子结构简单、效率高、可靠性高、易于实现容错等优点,在无刷交流传动系统等场合有广阔应用前景。为了实现电机的高性能控制,需要在转子上安装机械式位置传感器来获得转子的转速反馈和位置信号,但是,机械传感器成本高、体积大、安装要求高、恶劣环境下可靠性低。为了解决位置传感器引发的问题,本文致力于对称六相永磁磁通切换电机的无位置传感器技术的研究。 针对现有两种基于零序电压的无位置方法存在的缺陷,提出一种旋转综合矢量脉振高频电压注入的无位置方法。该方法通过在转子估计坐标系下注入旋转综合矢量信号,不仅解决了传统脉振高频电压注入法中存在的六倍频干扰问题,也解决了逆二倍频同步旋转坐标系脉振高频注入法中存在的转速波动大的问题。 针对旋转综合矢量的无位置方法引入转矩脉动幅值过大的问题,利用对称六相永磁磁通切换电机的多控制自由度,提出了基于零序电压的最优相角差的脉振高频电压注入的无位置方法。该方法通过在两套绕组中分别注入高频信号,这两组注入的高频信号在估计坐标系的不同轴,且相差一个最佳的角度差,不但可以抑制零序电压响应中的六次谐波分量从而提高位置估计精度,而且该方法的转矩脉动幅值减小为旋转综合矢量脉振高频电压注入法的一半。 为了完全消除转矩脉动,提出了基于零序电压的反向旋转综合矢量注入的无位置方法。该方法设置一套绕组正接,另一套绕组反接,并在两套绕组的估计坐标系中分别注入两组独立的高频电压信号,且这两组信号为旋转综合矢量并互为相反数。该方法不仅抑制了零序电压中的六次谐波,也完全消除了高频注入产生的转矩脉动。 将利用对称六相电机多控制自由度特性改进无位置传感器技术的方法推广到现有的逆二倍频同步旋转坐标系高频电压注入的无位置方法中,提出了一种改进的逆二倍频同步旋转坐标系脉振高频电压注入的无位置方法,该方法设置一套绕组正接,另一套绕组反接,并在两套绕组的逆二倍频同步旋转坐标系的交轴上分别注入两组独立的高频电压信号,且这两组信号互为相反数。该方法不仅解决了传统脉振高频注入方法存在六次谐波的问题,也完全消除了逆二倍频同步旋转坐标系脉振高频注入引起的转矩脉动。 搭建了硬件系统平台,并在系统平台上对现有两种无位置方法和提出的四种无位置方法进行实验,验证了所提出无位置方法的有效性。

关键词： 丝多相流测量   网传感器   井下涡流工具   螺旋特性  

摘要： 天然气开采中后期井底积液的出现会带来严重的气井减产问题,进行井底积液的排除是产水气井带水产气的必须举措。井下涡流工具是安装在井底通过诱发旋流进行流型重整以降低临界携液速度的一种排水采气方法,具有成本低、结构简单、安装方便等优点。为指导涡流工具的结构设计和安装位置,提高有水气藏采收率,需要对气液两相来流通过涡流工具后的三维时空螺旋流场结构及其衰减特性进行研究。在测量螺旋流场中的气泡分布时,传统的电阻、电容等层析成像技术的敏感场分布受气泡分布影响,存在“软场”测量问题。丝网传感器(WMS)是一种侵入式电学测量手段,能够同时采集流通截面相态的空间和时间分布信息,而且成像速度快、图像重构算法简单。本文在对WMS硬件结构及后处理算法优化的基础上对不同空气-水两相流通过涡流工具后的螺旋流相态分布特性、流动参数分布、螺旋衰减特性开展了实验研究。主要包括了以下内容:(1)基于电势场模拟的WMS测量原理验证及几何参数优化。对WMS测量电场进行建模,确定电势场控制方程和边界条件,利用COMSOL软件进行电势场模拟,从理论层面上解释该项技术的测量原理和可行性。通过大量模拟得到了不同几何参数对测量结果的影响,获得了较优的几何参数。(2)对数据后处理算法进行改进,得到完整的数据处理流程并进行算法验证。对气泡提取过程进行改进,提出从二维截面向三维时间方向上生长的非递归气泡提取算法。完成了从WMS电流信号到空泡份额,再到气泡分布、相界面结构、气相速度的完整数据处理流程。通过实验来对当前开发的WMS进行测量准确性验证,测量误差在?5%之间。(3)开展气液两相螺旋流实验研究,明确了螺旋流三维时空分布和衰减特性。观察到了泡状来流的流型演变,获得了局部空泡份额、气泡尺寸和气相速度的分布。基于气柱截面直径平均值和方差对螺旋衰减进行定量评价的方法获得了本实验环境下产生稳定气芯的工况范围以及气芯直径的衰减速率。本文研究工作开发了可用于螺旋流研究的WMS,丰富了螺旋流形成和衰减的认识,并为石油工程中的涡流工具优化和安装提供了理论支持。

关键词： 扫描式光纤位移传感器   VCM电机   RIM-FODS   锁相放大  

摘要： 光纤位移传感器作为光纤传感器的一个重要分支,它在工业、军事、医疗和科学研究领域中发挥着越来越大的作用。其中,反射式光强调制型光纤位移传感器(RIM-FODS)具有设计简单、携带方便、抗电磁干扰等优势。但在目前的实际工程应用中,它容易存在测量范围增大引起精度降低以及需要对物体进行标定等问题,针对这些问题,本文以RIM-FODS为基础,设计了扫描式光纤位移传感器。采用透镜将光纤的像成像在被测物表面附近,并通过透镜或者光纤高速往复运动使得光纤像在物体表面位置不断发生变化,完成一个类似于“扫描”的过程,这种方式有两个优势。一是保持精度不降低的基础上扩大测量范围的目的,二是避免传统的反射式光纤位移传感器需要对不同的物体表面反射特性进行标定。目前查询的文献中没有通过镜头的移动改变光纤像与被测物之间的距离的方法未见报道。扫描式光纤位移传感器是基于反射式强度调制型光纤位移传感器的原理,首先根据光学透镜成像原理,通过改变透镜的位置实现光纤端面的像成像在被测物表面附近,使得测量过程中增加光纤探头与被测物表面之间的距离。其次,通过VCM(音圈电机)电机带动镜头的移动,使得光纤像成像于被测物表面附近的多个位置,通过数据处理可以消除不同表面的反射特性得到位置信息,实现传感器的“扫描”功能,达到扩大量程的目的。具体研究内容如下:(1)扫描式光纤位移传感器的理论研究。首先介绍了扫描式光纤位移传感器的工作原理。其次,分析扫描式光纤位移传感器设计需求确定了光纤的材料和结构。最后建立被测物的不同表面粗糙度的理论模型,并针对不同的模型利用MATLAB进行仿真分析。(2)扫描式光纤位移传感器的硬件系统设计。根据扫描式光纤位移传感器的功能需求对电源和电机进行选型。完成了光源调制、光电信号转换、跨阻放大、电机驱动、锁相放大、AD采集与信号处理硬件电路的搭建和设计。(3)扫描式光纤位移传感器的软件设计。首先完成了VCM电机驱动软件的设计,对控制VCM电机的DW9714芯片的三种工作模式进行仿真分析。其次完成了基于AD采集和串口传输的控制程序设计,并采用Vivado和Questa Sim软件进行了仿真分析。(4)扫描式光纤位移传感器的实验验证。搭建了扫描式光纤位移传感器的光路结构和电路系统,对不同反射特性的物体进行了验证性实验。对两种不同物体的反射特性进行实验验证,实验结果表明扫描式光纤位移传感器可以在不需要标定被测物的情况进行测试,能够在保证精度的同时提高传感器的测量范围,验证了该方法的可行性。

关键词： 氢气传感器   低探测下限   钯镍薄膜   钯纳米颗粒   金属氧化物半导体  

摘要： 氢气在新能源、石油化工、核电、航天等领域获得了广泛应用,然而其易燃、易爆的特点导致氢气在存储、使用过程中一旦泄露就存在极大的安全隐患,因此,需对氢气使用环境的氢浓度进行实时监测。另外,氢是宇宙中丰度最大的元素,在临近空间中存在痕量的氢及氢原子,氢及氢原子浓度的准确测量是临近空间环境科学中的一项重要的课题,对于揭示宇宙的产生及大气演化具有重要的科学意义。在上述应用场景中,急需探测范围宽、探测下限低、灵敏度高、响应快、功耗小、体积小、选择性强、重复性高等特性的氢探测技术,但是,现有的氢气传感器难以同时满足上述需求。为此,本论文系统开展了基于PdNi纳米薄膜、负载于泡沫NiO的Pd纳米颗粒、Pd修饰的WO3/泡沫NiO和Pd修饰的Bi掺杂泡沫NiO四种氢气传感器的设计、制备及性能研究,力图弄清四种氢传感器的氢敏机制。论文的主要工作如下:1.基于MEMS技术设计制备了PdNi纳米薄膜氢气传感器,传感器外形尺寸为1 mm×1 mm×0.3 mm,PdNi薄膜结构为回线型（线宽30μm,长度5 mm）。研究了退火对PdNi纳米薄膜微观结构和传感器性能的影响,结果表明,250℃真空退火可以提高薄膜稳定性和均匀性,从而有效抑制传感器的零点漂移现象,同时使传感器保持较高的响应值和响应速度。探索了薄膜厚度对PdNi薄膜微观结构以及氢气传感器响应的影响,发现降低薄膜厚度可以抑制PdNi薄膜结晶和晶粒生长,从而提高PdNi薄膜的氢吸附能力和氢扩散范围,进而提升传感器响应。利用多元线性回归方法拟合了传感器响应与薄膜厚度之间的关系,发现传感器响应与氢气浓度之间符合Sieverts定律,Sieverts系数随着PdNi薄膜厚度降低而增大。所制备的PdNi纳米薄膜氢气传感器在室温下、氮气环境中可以探测到低至50 ppb浓度的氢气,对杂质气体CO2、CO、NH3和CH4具有优异的选择性,180天后响应值仅衰减了3.74%,体现出可靠的长期稳定性。2.采用热氧化工艺制备具有三维网络结构的泡沫NiO,再通过磁控溅射沉积Pd纳米颗粒,以柔性印制电路板为载体,设计制备了以负载于泡沫NiO表面的Pd纳米颗粒为氢敏材料的氢气传感器,其中Pd纳米颗粒/泡沫NiO的尺寸为8 mm×3mm×0.5 mm。研究了Pd纳米颗粒/泡沫NiO的微观结构,发现Pd纳米颗粒与高浓度氢气反应会导致其晶粒和晶格尺寸增加。提出了利用高浓度氢气对传感器样品进行活化处理的方法,发现高浓度氢气与Pd纳米颗粒反应生成β相PdHx所引起的不完全可逆晶格畸变是传感器被活化的关键,活化在Pd纳米颗粒中生成的大量缺陷,为氢原子与Pd纳米颗粒结合提供了大量活性位点,大大降低了传感器的氢探测下限。Pd纳米颗粒/泡沫NiO氢气传感器在30℃,氮气背景下的检测范围为7 ppb～2%,其响应随着氢气浓度降低而单调递减。另外,传感器对CO-2、CO、He等杂质气体具有优异的选择性,并且具有可靠的抗湿性。3.设计制备了以Pd纳米颗粒修饰的负载于泡沫NiO的WO3纳米层为氢敏材料的氢气传感器。探索了Pd/WO3/泡沫NiO的微观形貌和晶体结构,结果表明,WO3纳米层为含有氧空位的非晶态结构,Pd纳米颗粒、WO3纳米层均匀分布于泡沫NiO表面。Pd/WO3/泡沫NiO传感器表现出独特的n-p型转换现象,即在较高浓度氢气中传感器电阻降低,响应为n型;在较低浓度氢气中电阻增大,响应为p型。出现n-p型转换是因为Pd/WO3之间的肖特基接触、WO3/NiO之间的n-p异质结导致了WO3纳米层电子耗尽,从而使WO3纳米层在氧吸附作用下由n型反转为p型。在极低浓度的氢气中,WO3纳米层始终以空穴为主要载流子,并且其浓度会远低于常规的p型半导体,因此对载流子浓度变化更加敏感,即使是痕量氢气也能引起传感器电阻的明显变化。Pd/WO3/泡沫NiO氢气传感器的工作温度低至75℃,在空气背景中探测下限达到20 ppb,对杂质气体CO2、CO和NH3等具有优异的气体选择性,在连续测试中表现出可靠的重复性。4.设计制备了以Pd纳米颗粒修饰的Bi离子掺杂泡沫NiO为氢敏材料的氢气传感器。探究了Pd/Bi-泡沫NiO的微观结构,发现Bi-泡沫NiO由于表面大量的松散纳米颗粒而具有巨大的比表面积,其中Bi3+在反复吸放氢处理后会自掺杂产生Bi5+。探索了Pd/Bi-泡沫NiO氢气传感器的氢敏机制,研究发现,Bi离子掺杂显著提升了传感器的响应和稳定性,其原因是Bi3+掺杂导致NiO表面空穴积累层的厚度减小,而反复测试过程中发生的Bi5+自掺杂进一步促进了氢敏材料表面的氧吸附,使传感器的氢气敏感度获得提升。传感器的最佳工作温度为75℃,空气背景中能够探测20 ppb～1%浓度的氢气,响应值随氢气浓度降低而单调降低,同时传感器具有优异的选择性、抗湿性、重复性和长期

关键词： 电压传感器   微机电系统   结构参数   单晶硅梁压阻效应   梳齿电容检测  

摘要： 电压传感器应用广泛，在电力系统的电能计量、继电保护、智能设备控制等领域都有着重要作用。非接触式电压测量不需要直接电气接触，无需中断供电即可完成安装，具有更安全、简单和方便的优点。随着MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)技术的发展，非接触式MEMS电压传感器因其体积小、功耗低、易于批量生产和集成等突出优点，成为电压传感器的重要发展方向，在电力物联网、智能电网等领域具有重要应用前景。然而，目前相关研究仍处于起步阶段，传感器的敏感机理、测量方法和器件仍亟待突破。对此，本文开展了基于MEMS技术的低功耗、高性能、微型化非接触式新型电压传感器研究。　　本文提出了基于单晶硅梁压阻效应和基于梳齿电容检测的两种非接触式MEMS电压传感器敏感结构设计新方案，敏感结构无需驱动电压，具有尺寸小、功耗低、频带宽等优点。文中对传感器的非接触式电压测量方法进行了理论分析和建模仿真，获得了传感器结构的静电力学特性、位移响应特性和输出响应特性;在此基础上，对传感器结构的振动薄膜、支撑梁、单晶硅压阻梁结构、梳齿电容结构等关键结构和尺寸参数进行了理论分析和设计，获得了两种传感器结构的优化设计参数。理论分析与仿真结果具有较好的一致性。　　在综合考虑传感器结构设计、MEMS制造工艺规则及其关键尺寸加工约束基础上，设计了基于SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)MEMS工艺的传感器工艺版图，并制备出基于单晶硅梁压阻效应和基于梳齿电容检测的两种传感器敏感器件。　　为实现传感器高性能测试并验证传感器的工作特性，文中设计了传感器的总体测试系统方案，分别对基于单晶硅梁压阻效应的传感器和基于梳齿电容检测的传感器进行了测试原理分析和信号检测电路设计，搭建了常压条件和真空条件下的测试系统。文中针对50Hz到1000Hz不同频率、常压和真空条件下，分别对两种传感器的电压响特性进行了测试。测试结果表明，对于基于单晶硅压阻效应的传感器，在常压测试条件下，作用频率50Hz、测量范围为900V到1200V的待测电压，传感器的分辨力为2V，线性度为3.38％，重复性为0.81％;作用频率1000Hz、测量范围为200V到1200V的待测电压，传感器的分辨力为0.6V，线性度为5.26％，重复性为0.07％。在真空测试条件下，作用频率1000Hz、测量范围为200V到310V的待测电压，传感器的分辨力为0.6V，线性度为1.56％，重复性为0.39％。对于基于梳齿电容检测原理的传感器，在常压测试条件下，作用频率491Hz、测量范围为225V到240V的待测电压，传感器的分辨力为0.1V，线性度为3.22％，重复性为0.23％;在真空测试条件下，作用频率491Hz、测量范围为226V到246V的待测电压，传感器的分辨力为0.1V，线性度为3.38％，重复性为0.29％。本文研究的非接触式电压传感器表现出良好的性能特性和频率特性。

关键词： 水质监测   物联网   FPGA   无线通信   传感器技术  

摘要： 计算机的发展推动了水质监测技术的信息化进程,将数据获取、传输和物联网技术紧密结合在一起。本论文结合物联网技术,对监测水域进行网格化站点布置,完成了水质参数数据的多站点采集终端设计、数据入网,并依托云平台实现数据的可视化动态监测,在此基础上,建立了Logistic模型对水质参数变化进行了预测。主要完成的工作如下:(1)针对物联网感知层的水质参数监测终端进行设计,搭建以FPGA为主控芯片的硬件电路平台,完成基本电路单元、传感器信息采集模块、无线通信模块等各部分的逻辑电路设计以及FPGA控制各模块工作的程序设计,为实现各网格点水质传感器信息的采集以及数据入网提供硬件基础。(2)基于物联网网络层的无线通信将传感器监测数据传输入网,利用无线通信技术将接收到的水质传感器数据帧格式发送至远端服务器,并对远端传感器信息进行本地存储。(3)物联网应用层水质监测云平台的设计与实现,对整个水质监测系统进行需求分析,利用HTML5技术进行系统的水质监测云平台模型搭建,服务器接收用户发来的传感器数据信息并进行网络存储,支持远程用户通过IP+端口的方式来访问主页,以实现静态网页和动态网页的查看。(4)感知层平台所采集的水质参数数据特征分析,在Logist回归算法的基础上结合网格化布点的特征,建立与该水质监测系统相关的预测算法模型,通过对现有的基础数据做线性回归预测,并分析预测结果的准确性。通过对系统的硬件平台和软件综合测试,验证了本文设计方案和预测方案的可行性,实现感知层监测终端对水质的动态监测,并对所监测范围的水质参数进行及时的预测预警管理。

关键词： LoRa技术   传感器技术   单片机   窄带物联网  

摘要： 烟草行业是国家的一项重要经济收入来源,而要保证卷烟的成品质量,厂家就要严格把控烟叶在仓储期间的各个环节,能否保证烟叶存放在一个相对稳定的环境中成为了一项重要的研究课题。随着近年来物联网应用的快速推广,由传感器技术和无线传输技术构成的实时传感网络技术日趋成熟,为监控烟叶存储环境,及时发现问题并处理提供了解决方案。本文针对烟叶仓库环境的复杂性和烟叶本身对通信信号会产生影响的问题,结合LoRa通信技术,设计了对于烟叶仓储环境的监控系统。 本文深入研究了LoRa无线通信、传感器、云服务器等技术,据此设计了一整套的分布式多点烟包内部环境的监测系统,包括了数据采集节点、网关节点和服务器。其中采集节点使用了STM32F103C8T6作为主控芯片,SX1278作为核心的LoRa模组用于节点与网关之间的通信,结合DHT11传感器来设计数据采集电路,实现了定时数据采集与无线传输功能;网关节点部分除了使用单片机和LoRa模组来接收各节点的上报数据外,还使用了BC-26的NB-Io T模组将数据上传至服务器方便后续处理。服务器端基于Java语言开发,实现了数据收发服务、数据存储与处理,并进行了Web页面的开发实现了数据显示等功能。 文章最后根据设计需求与性能要求对系统的软硬件功能进行了验证测试,主要针对数据采集功能实现、无线通信数据收发、网关与服务器通信稳定性和客户端的功能进行了分析验证。测试结果表明设计的系统能够有效地实现对仓储环境的监测,并提出了不足与可优化之处。

关键词： 光学生物传感器   光子晶体谐振腔   结构设计   折射率灵敏度  

摘要： 癌症已成为全球范围非传染性疾病中致死的首要原因。“早发现、早诊断、早治疗”是提升癌症五年存活率、降低癌症死亡率的重要措施。microRNA与多种类型癌症的发生、发展密切相关，是理想的癌症早期标志物。折射率周期性调制的光学生物传感器具有体积小、耗能低、发热少、检测速度快、抗干扰能力强等优点，可用于microRNA的高灵敏度检测。本论文研究两类折射率周期性调制的光学生物传感器——长周期光纤光栅和光子晶体谐振腔生物传感器，在结合光学测试系统参数给出主要传感性能指标的基础上，分别利用耦合模法、有限时域差分法研究长周期光纤光栅、光子晶体谐振腔的光场透射特性和分布特性，优化传感器的设计以提高其性能，用于microRNA的高灵敏度检测，主要成果和创新点如下:　　1.长周期光纤光栅生物传感器的研制。为解决长周期光纤光栅生物传感器谐振峰带宽过大，谐振峰中心波长定位不准导致生物目标物浓度检测误差大的问题，利用大数值孔径的单模光纤设计并制备了窄带宽、高分辨率长周期光纤光栅生物传感器，其谐振峰的3dB带宽为1nm，是目前已有报道中的最小带宽。该结构通过减小带宽、提高分辨率，将折射率检测下限优化至3.3×10-5，通过表面修饰探针，对microRNA的浓度检测下限为10nM，适用于癌症早期筛查。　　2.光子晶体谐振腔生物传感器的研制。为进一步缩小生物传感器体积、形成可对多种类癌症早期标志物microRNA同时检测的易集成光学传感结构，对光子晶体谐振腔生物传感器设计中存在的两个关键问题提出解决方案:　　为解决目前光子晶体谐振腔设计中品质因子和折射率灵敏度相互制约、难以实现低折射率检测下限的问题，结合噪声干扰与光学测试系统限制因素，分析了光子晶体谐振腔生物传感应用中品质因子和折射率灵敏度对传感器折射率检测下限的影响，提出品质因子与折射率灵敏度联合优化设计思路，并给出了二者的最有效优化区间——当品质因子在7512-37560区间，折射率灵敏度在500-1000nm/RIU区间时，生物传感器的折射率检测下限可达8.9×10-6，对应癌症早期标志物microRNA的浓度检测下限为2.7nM。　　为解决二维光子晶体谐振腔品质因子优化依赖参数遍历、效率较低的问题，提出了可视化品质因子优化算法。该算法通过有限时域差分法计算谐振腔实空间中的光场分布，利用二维傅里叶变换及反变换获取动量空间中光锥内的主要泄漏组分，在准确定位对辐射损耗影响最大的光子晶体原胞基础上，通过优化对应位置的结构，快速提升品质因子，避免了谐振腔周围结构的参数遍历，大大减少了计算时间。通过仿真分析，可视化品质因子优化算法可大幅度提升典型二维光子晶体Ln形谐振腔中L3、L5形谐振腔的品质因子。　　3.二维光子晶体线宽调制腔生物传感器的设计。针对Ln形谐振腔生物传感器折射率灵敏度低的问题，利用品质因子与折射率灵敏度联合优化设计思路以及可视化品质因子优化算法，提出了更高折射率灵敏度的二维光子晶体线宽调制腔结构，最终获得生物传感器的折射率检测下限为3.4×10-5，对应癌症早期标志物microRNA的浓度检测下限为10.5nM，比类似的Ln形谐振腔生物传感器降低了近3倍。结合前期制备经验，该结构Q值对制备误差鲁棒性的最大衰减幅度为12％，为光子晶体谐振腔生物传感器的实现提供了良好的理论支持。　　4.一维光子晶体纳米束腔生物传感器的设计。为获得更低折射率检测下限、更高制备误差鲁棒性的光子晶体谐振腔，利用品质因子与折射率灵敏度联合优化设计思路，设计了一种一维光子晶体纳米束腔结构，通过增强镜像反射提升Q值;通过引入槽形结构提升折射率灵敏度，优化纳米束腔的结构参数，折射率检测下限低至1.1×10-5，对应癌症早期标志物microRNA的浓度检测下限为3.4nM。该结构Q值对制备误差鲁棒性的最大衰减幅度为0.6％，为集成化的高性能光子晶体谐振腔生物传感器奠定了设计基础，具有良好的应用前景。