徐香菊的开题报告2.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：徐香菊 学号：0606024103学 院、系：电子与计算机科学技术学院电子科学与技术系专 业： 微电子设 计 题 目：基于MOSFET的水听器的信号处理电路设计 指导教师: 何常德2009 年 1月 22 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一.研究背景及意义 21世纪是海洋的世纪，是人类大力开发海洋，综合利用海洋的世纪。占地球表面积70%的海洋，蕴藏着巨大的自然资源，并且从现代战争的发展趋势看，海洋也是未来高科技条件下局部战争的主战场。开发利用海洋，首先需要对海洋信息的获取、探测。而这些需要借助各种传感器，检测技术的发展。声波在海洋中有最佳的传播性能，因而水声技术就成为研究和探索海洋的主要手段。海洋开发、信息科学的快速发展对水声信号处理技术的发展提出越来越高的要求同时，巨大的需求牵引又强有力地拉动水声信号处理技术的发展国民经济和国家安全迫切需要水声信号处理技术提供新的更先进的手段，以便解决日益增长的要求在军事上水听器应用范围很广。水听器是声纳的重要做成部分，而声学(声纳)是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。声纳系统是追踪潜艇的重要手段，而在近3040年内,潜艇的辐射噪声大约每年下降0. 51dB,从而使被检测的距离每年缩小0.52km,这便对声纳系统及其中水声传感器提出更高的要求.从这些发展趋势都要求我国不断地提高水听器的性能。在商业上水听器的应用范围也很广，是人类探测，开发海洋的重要手段。随着水声技术的不断发展,技术需求越来越多,为满足岸站建设的需要,服务海岸预警声呐系统,实现远程检测、识别,低频检测能力日益显得重要。同时,随着目标信号的减弱,高灵敏度检测问题也变得非常迫切。水声信号处理要求也越来越高。二国内外研究现状在水声领域，通常，将传感器称为换能器，接收换能器主要包括标量传感器和矢量传感器，也叫标量水听器和矢量水听器。在声场测量中，传统的方法是采用标量水听器(声压水听器)，只能测量声场中的标量参数，典型的标量水听器如B&K公司的810X系列，常作为水听器标准使用。矢量水听器可测量声场中的矢量参数，它的应用有助于获得声场的矢量信息，对声纳设备的功能扩展具有极为关键的意义。 随着新技术地不断发展，不论标量水听器、还是矢量水听器，各种敏感机理的测试(制作)方法都有不同的尝试。见著报导的有几种标量水听器:如采用PVPF膜(膜厚1000 vm )的水声传感器，已被英国和法国海军用于潜艇，称为弗兰克阵“Flank Arravs，光纤水听器，日本东京大学报导的微加工技术制作的光干涉型微水听器等，另外，还有MEMS水听器的报导，如美国波士顿大学研制的水下声场传感器，通过检测反射的激光束检测声场变化。水听器还可用于深弹声制导系统，探测美国海军物理实验室(MPL)研制了两套矢量水听器系统 : 12个Swallow浮标装置(可调整深度，自由漂流)，垂直DIFAR阵。1990年，海军物理实验室于佐治亚洲以东600km的大西洋海域使用Swallow浮标装置进行了海上试验，对0.5 20hz的次声波声场进行了研究。此外各国都积极进行着水听器的研究如英国对水听器的研究主要由Plessey 国防研究公司，海军系统分公司和马可尼水下系统公司承担，开发了各种不同反潜应用的海事系统，也进行了一系列海上试验。国内从“八五”期间开始的矢量水听器技术研究，并取得了丰硕的成果，先后研制开发了以双迭片为敏感元件的不动外壳型矢量水听器和以加速度计为敏感元件的同振球型矢量水听器。国内矢量水听器技术的飞跃发展是从哈尔滨工程大学引进俄罗斯三维同振式矢量水听器研制技术开始的，十年来，我国在矢量水听器的研制方面取得了长足的进步，先后研制出多种结构具有自主知识产权的矢量水听器，包括动圈式矢量水听器、悬臂梁式多维测振传感器、压电圆盘弯曲式同振型矢量水听器以及中、高频二维柱形、三维球形矢量水听器等，从而实现了国内矢量水听器的结构系列化、功能多元化，满足了水声测量中不同场合的不同需求。目前，国内水声界将矢量水听器技术视为21世纪最有前途的技术之一，多家单位均开展了此方面的探讨和研究，包括中科院声学研究所、上海726研究所、杭州715研究所、大连760研究所、西安705研究所、昆明750试验场、无锡721厂、西北工业大学、东南大学等。目前国内同振型矢量水听器多采用压电式加速度计或动圈式传感器作为振子，而在保证一定灵敏度的前提下这种传感器随着频率的降低，体积变得越来越大，给矢量水听器在低频段的工程应用，特别是在成阵应用方面带来了不便。因此，在保证灵敏度、指向性指标不变的前提下，利用MEMS对矢量水听器在低频段进行小型化研究具有重要的意义。 水听器有标量水听器和矢量水听器。本文研究标量水听器的信号处理电路。而矢量水听器是近十年间备受水声界关注的研究焦点之一。四、基于MOSFET的MEMS水听器的工作原理4.1 MEMS技术 MEMS技术是用机电或电化学方法实现的获得一定工程功能的器件，尺寸从1vm到1mm之间。MEMS技术采用光刻、扩散、离子注入、化学气相淀积、物理气相淀积等生产出MEMS器件的三维立体结构，实现多种复杂功能。近几十年以来，微电子科学技术的发展非常迅速，超大规模集成电路、特大规模集成电路相继问世，集成度几乎每年翻一翻。随着集成度的提高，其加工尺寸越来越小，已进入亚微米时期。微电子技术的进步也促进了微机械技术的兴起和发展，微膜、微梁、微出轮、微凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴等微型构建相继面世。微机电惯性传感器一直是MEMS技术研究的主要方向之一，它是集微型精密机械、微电子、半导体集成电路工艺等新技术于一身的前沿新技术，它的出现使惯性技术产生了一次新的飞跃。本文将尝试利用MEMS技术研究水听器。通过MEMS技术，可以实现敏感检测部分与信号处理电路的集成设计，所有这些都可以在芯片上规模完成。在一个衬底上将传感器，信号处理电路，执行器集成起来，构成微电子机械系统是人们很早以来的一个愿望，这一愿望的实现是以MEMS技术为支撑的。MEMS技术由于具有多个特点即:微型化，多样化，微电子化，这些优点使MEMS技术的发展显出巨大的生命力。它把信息系统的微型化，多功能化，智能化和可靠性水平提高到新的高度。4.2 MOSFET力敏效应 半导体材料受到作用力后，电阻率发生变化的现象称为半导体的压阻效应。对于MOS晶体管，在沟道区也存在类似的效应，称之为力敏效应。图1为MOS晶体管的结构图，图中的MOS晶体管有二个电极:栅极G,源极S和漏极D。根据工作状态的不同，M OS晶体管的源漏电流和源漏电压 图1 MOS晶体管的结构示意图和应力方向定义的关系分成线性区和饱和区两部分。源漏电流对应有如下两个表达式式中:Cox为MOS晶体管的栅电容;Vt为阈值电压;WlL为宽长比，Vgs为栅源电压;Vds为源漏电压。 由上式可以看出，MOS晶体管的源漏电流与迁移率成比。在应力作用下，MOS晶体管的源漏电流会因为载流子迁移率的变化而变化，这就是MOS晶体管的力敏效应。类似硅材料的压阻效应，MOS晶体管的力敏效应可由下式表式式中:q，q分别为纵向应力和横向应力(图1);l,t分别为纵向压阻系数和横向压阻系数。实验证明，P型沟道的MOS晶体管比n型沟道的晶体管具有更稳定的力敏效应，目在(100)晶面上沟道为110方向时力敏效应更为显著。4.3 水听器原理本文所研究的是根据以上介绍得MOS晶体管的力敏效应所研究的水声传感器，由于导电体的电阻为,根据相关物理学和材料力学知识可以得出:由材料几何形状变化引起的电阻相对变化可以忽略不计,所以金属或半导体材料由于其电阻率的变化而导致的电阻相对变化为： （2.1）式中:l为纵向应力;t为横向应力,l为纵向压阻系数,t为横向压阻系数。电阻系数是与不同的晶向有关的,例如沿110晶向的压阻系数存在下列关系: （2.2）式(2.2)所示即是压阻效应的数学表达式。可见,若能将在应力下变形从而导致的电阻变化R检测出来,并且将其与外作用力对应起来,便从原理上满足了传感器的要求。一般来说,电阻的变化量是不便于直接检测的。因此需将其转换为方便检测的电压或电流的变化。如图2所示是在电学中广泛应用于提取电压或电流变化量的惠斯通电桥。 图2 惠斯通电桥它的原理是:,是两个外接电阻,是和敏感电阻相匹配的一参考电阻。在A 、B 两点施加电压 (也可以是电流),当4个电阻完全匹配时即有成立时,电路的输出电压 (也可以是电流)就为零。若敏感电阻有一微小变化,电桥就会失去平衡, 表现为其输出电压(或电流) 发生变化,其值由下式计算: （2.3）通过惠斯通电桥, 将电阻的变化转换为电压的变化, 这就是此种传感器的检测原理。 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1研究内容 本文在熟悉基于MOSFET的传感器原理和水听器工作原理的基础后，完成以下工作：（1）熟悉MOSFET作为水听器敏感结构的工作原理；（2）参与少量水听器敏感结构设计的工作。（3）提出水听器信号处理电路的设计方案，提供板级电路设计方案和电路图；（4）用两种方式完成电路的设计：传统板级电路实现方式和单芯片实现方式，提供单芯片电路设计方案的电路图和仿真结果。(5）完成一篇英文论文的翻译。2设计思路 水听器产生信号微弱，故需对信号进行放大，滤波。信号处理部分由这两部分组成。差动输入放大电路经电桥输出的信号仍然不大。为使信号能够在噪声环境下长距离传输，必须对信号进行放大。电桥放大电路有单端输入和差动输入两类。传感器工作在复杂的环境中，在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号。单个的运放不能对这种干扰信号产生很好的抑制，为此，引入另一种形式的仪表放大器(又称测量放大器)。仪表放大器广泛用于传感器的信号放大，特别是微弱信号的放大。本设计选用了AD公司的AD620。AD620为一款较为常见的仪用放大器，它结构简单，价格便宜，其基本特点是噪声低，精确度高，使用简单。AD620的增益为l一1000，通过一只精密电阻即可调节，电源输入范围为23v，耗电量低。可用电池供电，方便用于便携式仪器中.下图为AD620差分放大电路示意图 图3 AD620差分放大电路示意图滤波电路输入信号中通常叠加有噪声和不必要的频率分量。在信号采样时，这些噪声分量会带来误差。因此，在设计滤波器时，总是通过各种方法使其尽量衰减。在输入输出通道中，通常采用滤波器来滤除叠加在有用信号上的噪声和不必要的频率分量。在仪器仪表中,通常用低通、带通滤波器。 在上述设计的基础上，将各部分功能整合到一个芯片上尝试单芯片的设计。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 系主任： 年 月 日参考文献 1 冀大雄，陈孝桢，刘健，封锡盛. 一种低功耗微弱信号放大电路的优化设计与研究.电子器件，2008，31（4） 2 张艳红，刘理天，张兆华等. 新型MOS晶体管式压力传感器，微米纳米技术，2007，7/8 3 张艳红，刘兵武，刘理天等. 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