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关键词： 印刷电路板式换热器   丙烷冷凝   流动换热特性   Zigzag通道   结构优化  

摘要： 随着我国“碳达峰”战略目标确定后,氢能、天然气等清洁能源的利用所占比重将会越来越大。我国的天然气的开采量是远小于未来能源战略所需要的消耗量,因此增大天然气勘测以及储备运输尤为重要。深海天然气开采环境恶劣,要求主换热器需要有体积小,抗高温高压等优点,因此紧凑型印刷电路板式换热器成为远洋深海天然气开采的必备设备。本文主要研究印刷电路板式换热器中热侧丙烷的冷凝流动规律,探究操作参数以及结构对换热器的流动换热规律的影响。 首先利用模拟的方法探究壁面热流密度、质量流率、干度、温度以及压力对微通道中丙烷的流动情况的影响。结果表明,在液化前期生成的液相丙烷增大换热,随后生成的液膜增大了热阻,从而减小换热,最后液化完成换热系数几乎保持不变;液化程度对于最终的换热系数影响很大,要综合对比液膜生成前期增大的换热和生成后期减小的换热。 然后,通过改变不同折转角度探究丙烷的流动与换热,结果表明增大通道折转角会增强换热并会造成更大的压力损失,通道折转角为45°相较于15°换热系数提高了45%,压降提高了0.1MPa。同时发现,当通道折转角较大时流体流经转角时会受到很大的离心力导致冷凝出的液体很散乱,因此通过减少节距数加大转角之间的距离的方式从而使液态丙烷能够得到充分发展。结果表明,流型相较于只改变折转角的通道更加规整,不同流型得到直观体现。 最后,在传统的Z型通道的基础上优化了一种波浪形通道。结果表明,由于转角处的圆弧处理,导致了丙烷在流经时方向改变的剧烈程度减小,所受的离心力较小,因此回流较少,整体的二次流以及涡的分布远小于传统Z型通道,并且涡的分布更加规则,最终虽然对流换热系数减小了2000W/m2·K,但是相对压降降低0.01MPa来说在可接受程度内。

关键词： 热载流子注入   自愈   高速时钟接收电路   时钟占空比   退化  

摘要： 当下,半导体行业的发展突飞猛进,MOS器件的工艺也随着设计者的需求在不断提升。由于器件使用的特征尺寸逐渐变小,晶体管的集成度变得越来越高,随之产生大量影响电路整体性能的各种因素,如热载流子效应、偏压温度不稳定性、电子迁移等问题开始被放大。针对高速链路被广泛应用于许多电路设计中,并且时钟电路是高速链路的重要部分,因此,研究时钟电路的可靠性问题就变得非常有必要。时钟接收电路作为接收信号的电路,对信号起着一定的调节作用。为了保证时钟信号在传输通道中能够维持稳定,这一部分的电路需要严格把控设计。在这样的大前提下,对高速时钟接收电路及自愈电路的研究具有非常大的意义。 研究高速时钟接收电路可靠性之前,需先对电路的初始性能进行验证,确保电路的初始性能完整良好,以便能够与受到热载流子注入效应后的接收电路的性能进行对比。本设计使用的热载流子效应等效电路模型采用65nm工艺的NMOS晶体管设计,该热载流子效应的等效电路模型一共提供了沟道宽度(W)、通道长度(L)、环境温度(Temp)、应力时间(Year)以及工艺角等可调节的输入参数。将高速时钟接收电路中的所有NMOS管用热载流子效应的等效模型替换,实现精准估计热载流子效应对高速时钟接收电路的性能的影响。在研究电路退化状态的过程中,热载流子效应使NMOS管的衬底电子发生偏移,阈值电压增大,进而饱和漏电流降低,导致电路的跨导减小,即降低了电压转换电流的能力。 根据高速时钟接收电路在热载流子效应下的退化情况,提出了一种具有负反馈调节方式的自愈电路来实现补偿功能。借助修复电路本身的结构特点,设计自愈电路的负反馈方式的实现结构,且该电路的输出电压随应力时间增大。自愈电路的偏置电压升高,补偿了高速时钟接收电路中第三级运算放大器的电流,使自愈后的第三级运算放大器的电流在热载流子效应下退化程度降低。 通过仿真验证,未使用自愈电路的高速时钟接收电路在热载流子效应下的占空比值由0年的51.50%下降至30年的35.40%,交叉点电压在30年后下降至1.8m V,功耗降至4m W,并且在退化到第32年时,时钟波形彻底失真,电路的性能老化十分严重。另外,高速时钟接收自愈电路能够保持50年的性能波动较小,时钟占空比值由0年的51.37%退化至50年的53.59%,交叉点电压向上退化到893m V,功耗降低至9m W,整体参数呈现较小的变化差值。说明高速时钟接收自愈电路对电路的性能退化起到了良好的减轻作用。

关键词： 单粒子翻转   三节点翻转   四节点翻转   锁存器   可靠性  

摘要： 随着通信卫星、深空探测器以及许多其他电子设备在空间应用中的激增,它们在空间辐射环境中的性能和可靠性面临着巨大的考验。太空辐射效应会导致这些设备运行故障甚至失效。随着集成电路特征尺寸的缩减,集成度显著提升,进而引发晶体管间距的缩小。在这种条件下,高能粒子轰击电路时产生的电荷可能被多个敏感节点同时捕获,从而引发多个节点逻辑值的翻转,这种现象被称为单粒子多节点翻转。这其中又包括单粒子双节点翻转、单粒子三节点翻转等。对于高可靠电路与系统的设计者和制造商而言,多节点翻转已成为集成电路可靠性的严重挑战。 针对在辐射环境中锁存器易被高能粒子影响,并产生多节点翻转,以及现有加固方案开销大、可靠性较低等不足,本文提出了一种低成本的三节点翻转自恢复的锁存器。而随着技术的发展,电路发生四节点翻转的概率在不断增加,针对三节点翻转的加固设计已经无法完全满足现有要求。因此,我们提出了一种能够完全容忍四节点翻转的锁存器。论文的具体工作如下: ***锁存器:由4个DI单元和4个基于时钟控制的DI单元构成,构成两个存储数据的反馈环路。LCTNUSR通过公共节点连接两个环,形成反馈回路来实现锁存器的三节点翻转自恢复能力。仿真结果表明,与目前同类型的锁存器设计相比,所提出的LCTNUSR锁存器的功率降低了74.11%,延迟降低了20.52%,面积降低了22.38%,功耗延迟积平均降低了78.8%。此外,所提出的锁存器对工艺、电压和温度波动的敏感性也低于当前的同类型锁存器。 ***锁存器:由三个独立的存储单元SC和拦截模块CG-SIM组成。SC内部两个二元反相器DI进行反馈互锁组成一个环路,通过DI的特性达到实现SC单元可以单节点翻转的自恢复能力;再通过CG-SIM将存储单元SC中的部分错误节点进行过滤,从而LCQNUTL可以从免疫任意的四节点翻转。与目前相同类型的容忍锁存器设计相比,功耗平均降低53.21%,延迟平均降低53.83%,功耗延迟积平均降低69.82%。实验仿真也证明了LCQNUTL锁存器的鲁棒性。 图[42]表[7]参[71]

关键词： SOLO分类理论   物理作业设计   物理作业评价  

摘要： 《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》明确指出,高中物理课程应聚焦于学生的全面发展,尤其强调核心素养与科学探究精神的培养。在落实培养学生物理核心素养和科学探究精神,促进学生全面发展的过程中,科学而有效的物理作业及其评价方式具有重要作用。然而,根据现有研究发现,实际教学中作业内容不合理、评价方式不科学等问题依然存在。为探究科学有效的作业设计与评价方法,本研究以SOLO分类理论(SOLO是英文“Structure of the Observed Learning Outcome”的简写)为指导实施作业设计与评价方法研究,主要研究工作如下。 从研究背景出发,通过文献调查,梳理了国内外关于作业和SOLO分类理论的研究情况,阐述了研究问题并介绍了研究内容、方法以及意义,并且对所研究的相关概念进行界定。在理论基础中,选取认知发展阶段论、人本主义学习理论和建构主义学习理论作为本研究的理论支撑。 基于对文献的深入分析,本研究提出了作业设计与评价的原则和策略。首先,在基于SOLO分类理论的作业设计中应该遵循层次性、多样性和科学性原则。在作业设计中的策略为:(1)作业题型与知识特点对应;(2)SOLO层次与教学目标对应;(3)作业内容与课堂教学内容对应。其次,在基于SOLO分类理论的作业评价中应该遵循及时性、反馈性和可行性原则;在作业评价中的策略为:(1)注重结果、过程和思路的评价;(2)激励为主,严格要求;(3)给出恰当的等级评价。本文根据作业设计的原则与策略,梳理了“闭合电路欧姆定律”这一模块的知识内容及其对应的作业题型和SOLO层次,在广州市白云区某中学进行实践。 在实践中,采取对比实验的方法。在实验班实施基于SOLO分类理论的作业设计与评价,在对照班不采取干预。实践后,首先,对实验班作业评价结果进行量化,对量化后的评价结果进行了信度检验。其次,通过对比实验班和对照班在“闭合电路欧姆定律”单元检测中的成绩来检验作业设计与评价的效果;最后,对学生和教师进行了访谈,结合访谈内容对本次作业设计与评价实践进行反思。 基于理论的探讨和实践的研究,本研究得出三个结论:(1)题型与知识特点对应,即选择与知识内容特点相对应的作业题型有助于学生理解和掌握知识;(2)基于SOLO分类理论的层次性作业具有较强的科学性;(3)基于SOLO分类理论的作业评价方法适合于学生的学习和教师的教学。本研究是根据SOLO分类理论对作业设计和评价进行理论的研究和实践的探索,期望理论的总结和实践的过程能对其他研究者提供一定的帮助和参考。

关键词： SOI LDMOS   总剂量效应   单粒子效应   加固技术   栅驱动电路  

摘要： 随着微电子技术的发展,高压集成电路(High Voltage Integrated Circuit,HVIC)已广泛应用于各类航天器和战略武器中,在空间电子领域中扮演至关重要的角色。HVIC通过将低压逻辑电路与高压功率器件等集成到单一芯片上,实现复杂的功率变换、电能传输、电源管理等功能。高压栅驱动电路作为HVIC系统中的核心组成部分,负责将低压逻辑信号转换为能够驱动下一级功率器件的高压信号,因此对其进行辐射加固对我国航天航空的发展具有重要意义。高压栅驱动电路低压转高压主要由高盆模块实现,由横向双扩散金属氧化物半导体(Lateral Double-diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)器件实现电平位移功能,但由于LDMOS其过多的氧化层面积,导致其在辐射环境下,器件特性退化严重,因此提升LDMOS器件及驱动电路的抗辐射能力对我国航天集成电路的自主研发具有重要意义。因此本文对抗辐射器件进行研究,并以其为核心器件设计一种高压栅驱动电路。主要工作内容如下: 首先,介绍700V SOI LDMOS器件的结构与工艺流程。通过TCAD仿真软件对器件结构进行仿真,并对其常规电学特性进行分析,而后对其指标参数进行优化。仿真结果表示优化后的器件提高耐压能力的同时降低了导通电阻,验证了设计和优化对提高器件性能的效果,得到了击穿电压超过700V的器件。 其次,分析700V SOI LDMOS器件在空间环境下受到的辐射影响,包括总剂量效应(Total Ionizing Dose,TID)和单粒子效应(Single Event Effect,SEE)。介绍TID的效应及其机理,通过分析多界面辐射引起的损伤来揭示其原理。接着讨论了单粒子烧毁的机理,通过分析器件内部载流子行为来揭示其原理。而后,对器件进行抗辐射加固,改善器件在辐射下的退化特性,并提出了一种抗单粒子的新加固方法,有效地改善了器件的单粒子烧毁效应。 最终,以700V SOI LDMOS器件为核心设计一种高压栅驱动电路,分别对其内部输入逻辑模块、带隙基准模块、延时模块、电平位移模块等子模块进行仿真验证,后对整体电路进行仿真验证。仿真结果表明内含有700V SOI LDMOS的驱动电路具有驱动下级功率器件的功能。

关键词： 废弃电路板   生物浸出工艺   嗜酸性氧化亚铁硫杆菌突变株   铜镍回收   产电性能   固碳性能  

摘要： 电路板（Printed Circuit Board，PCB）的产生量呈现逐年增长的态势，其中包含超过80％可回收、有价值的材料，是一座不可忽视的“城市矿山”。然而每年仅有20-30％的PCB被回收利用，大部分没有得到妥善回收，PCB的资源化回收已经成为一个世界性的难题。目前中国废弃电子产品处理产业还处于价值链的低端，并未能实现各种金属与非金属的高值利用。生物浸出作为一种绿色低碳环保的PCB贵重金属资源回收手段，目前已被广泛应用。但由于生物浸出效率较低，因此探究强化浸出微生物浸出的方式并且全面分析PCB回收体系的综合效能具有重要意义。　　本研究以Fe（Ⅱ）氧化活性、金属耐受性及铜镍浸出率为指标，基于经不同剂量重离子束辐照的Acidithiobacillus ferrooxidans BYM突变株，筛选获得一株高性能突变株*** BYM T-200并获得其最佳固定化条件，基于此针对浸出工艺条件进行优化并评估体系的综合效益。　　通过向培养基内添加不同浓度的铜离子、镍离子及PCB,获得了*** BYM T-200最大铜离子耐受浓度为20mM，镍离子耐受浓度为400mM,PCB耐受浓度为10g/L。采用单因素试验考察载体投加量、固定化时间、通气量、温度对*** BYM T-200固定化细胞Fe（Ⅱ）氧化率的影响，结果显示，固定化时间、通气量、温度对固定化细胞Fe（Ⅱ）氧化率影响显著，载体投加量影响不显著。基于单因素结果，结合响应面BBD设计试验，以Fe（Ⅱ）氧化率为响应值获得细菌纤维素固定化*** BYM T-200的最佳固定化条件为固定化时间为37.90h,通气量为1.00L/min,温度为35.30℃,预测此时固定化细胞的Fe（Ⅱ）氧化率为98.92％。验证试验结果表明，固定化细胞的Fe（Ⅱ）氧化率为98.58％。固定化载体表征分析表明，细菌在载体材料当中固定化效果良好。　　为探究各工艺条件对金属浸出率的影响，通过测定不同浸出时间、电路板添加量、液体流量、电路板粒径时的铜、镍离子浸出率，发现铜、镍浸出率从第7d之后几乎不再升高。基于响应面结合满意度函数，以铜、镍浸出率为考核指标，获得最佳浸出工艺条件即电路板添加量为9.00g/L,液体流量为1.35L/min,电路板粒径为4.40cm。验证试验结果满意度达到98.57％与预测值（99.30％）无显著差异，得到的铜、镍浸出率分别为70.65％、63.42％。　　在最佳浸出工艺条件下，测定运行周期内的生物产电电压与生物固碳量，7天共采集到的电压值总和为213.1V,电压峰值达到185.7mV;通过收集碳酸钙沉淀测量干重，得到*** BYM T-200固定化细胞的总固碳量约为0.9527g,占CO2总通入量的17.5％;共计向体系加入18g PCB,通过投加铁粉回收出共计回收浸出液中铜0.51g,镍0.05g,预计每吨PCB生物处理收益为2777.24元。本研究为生物法高效回收电子废弃物贵重金属行业探究新发展方向提供数据支持。

关键词： 忆阻器   局部有源   振荡器   神经元   硬件实现  

摘要： 局部有源忆阻器（locally-active memristor,LAM）凭借其纳米级尺度、非线性和局部有源等特性,已经成为了模拟神经元类脑行为的最佳候选器件之一。从电路层面上看,神经元是一种可以产生尖峰振荡,自维持振荡甚至混沌振荡的振荡器。为此,本文基于局部有源理论和Hopf分岔理论,采用小信号分析方法,针对通用型LAMs展开了定量理论分析,设计了多种含电抗振荡器结构模拟生物神经元。考虑到电抗元件会影响振荡器的集成度,进一步提出了基于LAMs的无电抗振荡器,研究了振荡器参数设计方法,构建无电抗忆阻神经网络并应用于模式识别。本文的主要创新点如下: （1）提出了一种简单的电压控制型（voltage-controlled,VC）LAM数学模型,通过揭示其非线性动力学特性,设计了二阶神经元电路,模拟了生物触觉神经元的频率特性。为了实现更多的神经形态行为,进一步设计了基于电流控制型（current-controlled,CC）LAM的三阶忆阻神经元电路,模拟了全或无、脉冲发放、多峰发放、静息态、周期尖峰、单尖峰和混沌振荡等行为。并通过小信号分析方法和三维动力学地图,定性研究了尖峰和混沌行为的发放机理。最后,设计了VC LAM和CC LAM的硬件仿真器,硬件实现人工神经元电路,实验结果和仿真分析基本一致;（2）基于通用型LAMs的小信号阻抗特性,首次提出了两种不同的基于LAMs的无电抗振荡器拓扑。该振荡器仅由两个LAMs组成,两个不同的LAMs分别呈现小信号容抗和感抗特性,因此电路中不需要额外的电抗元件,集成度更高。基于Hopf分岔理论和小信号分析方法,定量推导了振荡器的振荡条件,理论分析表明电路振荡与三个关键参数有关。引用了简单的VC LAM数学模型,设计了VC LAM浮地型仿真器并构建了基于VC LAM的无电抗振荡器,仿真结果和硬件实验证明了无电抗振荡器的可行性和理论分析的正确性。进一步引用了Nb O LAM分段线性数学模型,通过建立基于CC LAM的无电抗振荡器,给出了忆阻器详细的参数设计方法,研究了LAMs模型参数对振荡器性能的影响,为振荡器优化提供理论指导;（3）为探索无电抗振荡器在神经形态计算领域的应用,设计了无电抗忆阻神经网络并应用于模式识别。引用了一种基于Ag/Ag In Sb Te/Ta（AIST）的阈值型忆阻器,设计了AIST忆阻交叉阵列,并研究了AIST忆阻器阻值调节方法。为避免1M结构的漏电流问题,设计了1T1M结构的无电抗忆阻神经网络,实现了3种数字模式识别;针对1T1M结构在复杂模式中的误识别问题,设计了2T2M阵列,实现了10种字母模式识别。