技术论坛

• Chiplet基三维集成技术与集成微系统的新进展(续)

  赵正平;

  集成电路在后摩尔时代的发展呈现出多模式创新的特点。综述了后摩尔时代中一大创新发展热点，即chiplet基3D集成技术与集成微系统的最新进展。综述并分析了当今chiplet基3D集成技术的关键技术的发展现状与趋势，包含3D集成技术、chiplet之间的宽带互连、布局布线与时钟同步、热管理、计算机辅助设计(CAD)等方面的创新。并展现了基于这些关键技术的突破，集成微系统的新进展，包含高性能计算多核处理器、神经网络计算处理器、神经网络加速器、射频微系统和光电微系统的创新。集成微系统已进入智能微系统新发展阶段。

  2023年05期 v.60;No.552 641-657页 [查看摘要][在线阅读][下载 1343K]
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• MnO₂基微马达在环境治理和生物医疗中应用的研究现状

  王威龙;王涛滨;逯浩;王莹;

  对微马达及相关领域的概念进行了简单阐述，详细介绍了近几十年来发展迅速的MnO_2基微马达，重点围绕MnO_2基微马达的推进机理和其在环境治理及生物医疗的应用进行阐述。MnO_2因为独特的催化特性被广泛地应用于微马达领域，从易于控制反应速率及良好的水污染治理的角度出发，总结了近十几年MnO_2基微马达的制备方法、驱动方式、运动性能及其在环境治理及生物医疗的研究进展，着重展示了在国内外研究中MnO_2基微马达在水污染治理、水安全检测以及相关医疗疾病治疗方面的成功应用。最后，对MnO_2基微马达在未来的发展方向与挑战进行了展望。

  2023年05期 v.60;No.552 658-670页 [查看摘要][在线阅读][下载 1626K]
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• 基于碳纳米材料构建传感器用于抗坏血酸、尿酸和多巴胺检测的研究进展

  王若男;蒲苏丹;李淑荣;孟佩俊;靳敏;罗利霞;

  对应用于抗坏血酸、尿酸和多巴胺同时检测的碳纳米材料和电化学方法进行了简单阐述，重点从不同碳纳米材料的物理化学特性介绍了其在电化学传感器构建中发挥材料自身优势促进生物分子在传感器表面被灵敏准确识别的传感方法。总结了近年来基于石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米多孔碳和氮掺杂碳纳米材料等碳纳米材料构建传感器应用于三种生物分子同时检测的研究进展；分析了当前电化学传感器构建的不足及面临的挑战，并对今后电化学领域应用于生物活性分子快速检测的研究方向进行了展望。

  2023年05期 v.60;No.552 671-681页 [查看摘要][在线阅读][下载 1159K]
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• 不同结构石墨烯发声器的声学性能

  张学泽;张晴宇;朱峰;唐昭;李双;

  基于热声效应，对不同结构石墨烯发声器的声学性能进行研究。利用石墨烯发声器的热功率平衡方程推导出三维石墨烯泡沫发声器的近远场声压表达式，将理论计算结果与实验测试值对比，两者吻合良好，验证了理论模型的正确性；并将石墨烯泡沫与二维石墨烯薄膜进行对比，比较了四种不同结构石墨烯发声器的发声效果。结果表明，石墨烯泡沫发声效果最好，其次是铜基底石墨烯薄膜，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底和玻璃基底的石墨烯薄膜发声效果较差；在20～10 000 Hz内，施加10 V电压、测距为1 cm的条件下，石墨烯泡沫、铜基底石墨烯薄膜、PET基底石墨烯薄膜和玻璃基底石墨烯薄膜的最大单频声压级分别为59.9、53.5、47.8和38.9 dB。铜基底石墨烯薄膜和石墨烯泡沫有一倍频声压产生。针对一倍频声压现象，测试铜基底石墨烯薄膜和石墨烯泡沫的振动加速度。结果表明，一倍频声压的产生与石墨烯发声器的振动有关，一倍频声压随着输入电压幅度和频率的升高而增大。该研究结果对石墨烯发声器的设计和应用具有参考价值。

  2023年05期 v.60;No.552 682-689页 [查看摘要][在线阅读][下载 1531K]
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• 面向固态电子自旋操控的紧凑Ω形微波辐射结构设计

  高研杰;郭浩;唐军;

  设计了一种面向金刚石中氮空位(NV)电子自旋调控的紧凑Ω形印制电路板(PCB)表面贴装微波辐射结构，通过计算PCB上2.87 GHz微波的1/2波长长度限制整体结构尺寸，完成设计后加工，并进行测试表征。制备的微波辐射结构尺寸为20 mm×29 mm×0.16 mm,辐射强度高，能够方便地在金刚石附近放置射频线圈等部件进行核自旋调控。在测量过程中，不同磁场下的光探测磁共振谱表明，在2.7～2.87 GHz的范围内，光探测磁共振(ODMR)谱均具有很好的信噪比和对比度。使用Rabi信号表征了辐射结构的微波辐射能力，测量得到的Rabi频率可达3.5 MHz。最后在两个不同的磁场条件下，测量了金刚石样品的自旋回波信号。实验测试结果表明，设计的PCB上紧凑Ω形微波辐射结构具有很好的电子自旋操控能力，可为核自旋调控部件提供安装空间，能很好地应用在基于固态电子自旋的精密测量中。

  2023年05期 v.60;No.552 690-697页 [查看摘要][在线阅读][下载 1479K]
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材料与结构

• 基于局域表面等离激元Ag/金刚石纳米结构增强NV色心的荧光

  谭心;郭慧文;杨桥;贺占清;

  在纳米光子学中，提高量子点的荧光强度是一个需要迫切解决的难题，现如今金属纳米材料是一种很有前途的荧光增强材料。通过Ag纳米结构的局域表面等离激元效应提高金刚石氮空位(NV)色心的荧光强度，制备了不同的Ag纳米结构(Ag纳米柱阵列和Ag纳米层),探究其对NV色心的荧光增强效果。结果表明，Ag纳米柱阵列结构的加入可将金刚石NV色心的荧光强度增强2.30倍，Ag纳米层结构的加入可将其增强1.54倍。并且，采用时域有限差分(FDTD)法分析激发和发射两个过程发现，金刚石NV色心的荧光强度随着Ag纳米结构的加入显著提高，由此验证了实验中Ag纳米结构对金刚石NV色心荧光增强的效果。此研究结果为后续进行量子点光致发光器件的设计提供了一定的参考。

  2023年05期 v.60;No.552 698-705页 [查看摘要][在线阅读][下载 1503K]
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• 纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料及其负极结构锂离子超级电容器

  王佩遥;邵枫;徐阳;胡南滔;张亚非;

  通过湿法纺丝工艺成功制备了纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料，并对其进行形貌表征与电化学性能测试。纳米硅颗粒嵌入石墨烯层间褶皱的结构具有限制硅材料在储锂过程中体积膨胀的作用，适于作为锂离子电容器负极。同时，研究了锂离子电容器多孔活性炭正极材料的双电层电容特性，通过组装成对称超级电容器，对其电化学性能进行测试，并结合材料的形貌，分析其作为锂离子电容器正极的合理性。为使正负极电荷匹配，分别对负极硅碳纤维和正极活性炭材料组装的锂离子半电池的倍率、循环稳定性、电化学阻抗等电化学性能进行了测试。结果表明，纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料的比容量最高可达826.2 mA·h/g(在电流密度为0.2 A/g时),活性炭比容量可达39.9 mA·h/g。组装成的锂离子电容器在合理的匹配条件下，充放电首圈循环比容量可达58.2 mA·h/g (在电流密度为0.2 A/g时),能量密度为26.8 W·h/kg,循环100圈后，比容量保持率降至41.7%。

  2023年05期 v.60;No.552 706-719页 [查看摘要][在线阅读][下载 1799K]
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• 基于第一性原理计算Mo₂NS₂对多硫化锂的吸附性能

  彭祯凯;李卫;任青颖;朱宸;许杰;白刚;

  高效的储能技术一直都是限制新能源汽车发展的关键因素，而具有超高理论比能量密度(2 500 W·h/kg)的锂硫电池被认为是最有希望的下一代可充电电池。然而，锂硫电池的实际应用受到硫导电性差和多硫化锂的穿梭效应等的限制。为了解决这些问题，提出以硫功能化的过渡金属氮化物材料来提高锂硫电池的电化学性能。对载体二硫氮化钼和吸附物多硫化锂进行建模，并计算载体的态密度；通过计算系统总能量找到了最佳吸附构型，并研究了吸附多硫化锂后复合材料的电荷差分密度和态密度；计算了多硫化锂在吸附载体界面的吉布斯自由能。研究结果表明，二硫氮化钼对多硫化物有较好的吸附强度，在放电过程中表现出较低的吉布斯自由能势垒(0.84 eV),加快了放电反应速率，缩短了电极反应中的多硫化锂的存在时间，从而有利于抑制多硫化锂的溶解和穿梭效应。本研究为过渡金属氮化物以及其他二维材料作为高性能硫阴极材料的设计提供了参考。

  2023年05期 v.60;No.552 720-728页 [查看摘要][在线阅读][下载 1846K]
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MEMS与传感器

• 基于MEMS技术的高纯度外泌体磁分离微流控芯片

  王菲;林树靖;郅晓;吁子贤;陈迪;

  基于CD63核酸适配体功能化磁珠捕获外泌体，设计和制作了一种可从胃癌细胞上清液中分离出高纯度外泌体的微流控芯片，芯片内磁增强微结构的梳齿间距40μm,最小宽度仅为20μm。利用COMSOL软件对磁增强微结构进行磁场仿真，结果表明最大磁感应强度和磁场梯度分别可达15.1 T和5.77×10~4 T/m。通过纳米粒度Zeta电位仪对链霉亲和素磁珠与CD63核酸适配体偶联形成的功能化磁珠(SAMNP@Apt)进行表征，结果表明它们实现了良好偶联。使用SAMNP@Apt捕获外泌体，捕获效率可达92.7%。使用微电子机械系统(MEMS)技术制备了磁分离微流控芯片，并在微流控芯片中进行了外泌体磁分离实验，结果表明微流控芯片的外泌体分离纯度可达88.75%。

  2023年05期 v.60;No.552 729-736页 [查看摘要][在线阅读][下载 1741K]
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• 基于表面微加工标准工艺的电容式MEMS麦克风

  林琳;周博华;赖丽燕;李以贵;

  设计了一种基于微电子机械系统(MEMS)工艺的电容式麦克风的结构，并基于表面微加工工艺制备了MEMS麦克风。为了优化麦克风结构，通过对比现有麦克风的优缺点，在麦克风可动电极的支撑部分设计了带有刻蚀孔的结构。仿真结果表明，该结构可减小空气阻尼、提高麦克风的信噪比和麦克风在低频段的灵敏度。该麦克风结构的制备工艺可标准化，以便代加工。测试结果表明，在偏置电压为0～20 V时，麦克风的静电电容随着偏置电压的增大而增大，并且预计偏置电压达到20 V附近时可动电极与固定电极接触。本研究为MEMS电容式麦克风的结构优化提供了一种可靠的方案。

  2023年05期 v.60;No.552 737-743页 [查看摘要][在线阅读][下载 1396K]
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• 基于心脏泵血原理的机械式微泵

  徐立平;李健;杨兴;

  心脏作为动力源，其功能是驱动血液的单向流动，它具有结构简单、工作稳定可靠、异物处理能力强、无回流等优点。基于心脏泵血的原理，研制了一种新型的机械式微泵。该微泵由微型马达、硅胶软管、瓣膜阀及壳体组成，体积仅有0.6 cm~3。为了更深入地研究和测试微泵的性能，研制了基于高精度天平的流量测试系统和基于压力传感器的压强测试系统，并利用以上系统对微泵的体积流量、背压及待机状态下的反向截止压强进行了测试。实验结果表明：微泵的体积流量、背压与驱动电压呈正相关关系；在3 V直流电压驱动下，微泵的体积流量能够达到210μL/min,背压达到27.9 kPa,而功耗仅为180 mW;同时，在待机状态下微泵的反向截止压强可达55 111.7 Pa。该微泵在医疗仪器、生物医学、微流控、芯片冷却等领域具有广阔的应用前景。

  2023年05期 v.60;No.552 744-749页 [查看摘要][在线阅读][下载 1194K]
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• 面向硅微谐振式加速度计的高精度片上温度控制器

  米玥臻;杨伍昊;熊兴崟;汪政;邹旭东;

  为提高硅微谐振式加速度计在变温环境下的精度与稳定性，设计并制备了一种高精度的片上温度控制器，它由硅衬底、铂电阻加热器、测温电阻和温度控制电路组成。对温度控制器的传热模型进行理论分析，使用COMSOL对片上温度控制器进行仿真。利用微加工技术制备温度控制器，并设计实验对温控精度、长期稳定性、环境温度影响、功耗等指标进行测试。结果表明，温度控制器可以在600 s内稳定在设定温度±0.001 5℃的范围内，加速度计输出的频率波动范围为±0.03 Hz,内部温度随外界温度变化为0.012 5℃/℃,片上温度控制器的峰值功耗为100 mW。该温度控制器精度高、通用性强，适用于温度范围小、精度要求高的应用场景。

  2023年05期 v.60;No.552 750-757页 [查看摘要][在线阅读][下载 1556K]
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• 悬浮式低频宽带电磁振动能量收集器

  张志永;赵毫杰;张坤;冯伟;申会鹏;刘保国;

  振动能量收集技术是一种解决无线传感网络供电难题的理想方案。为实现低频、宽带振动能的高效收集，设计了一种基于抗磁悬浮系统的悬浮式电磁振动能量收集器。利用抗磁悬浮系统的低刚度特性降低系统的工作频率，并通过碰撞实现振动能量收集器工作频带的拓宽。对所设计的振动能量收集器进行理论分析和实验研究，分析悬浮磁铁的抗磁悬浮机理，建立振动能量收集器的机电耦合模型，测试了不同振动激励、负载条件下振动能量收集器的电能输出特性。实验结果表明，当激励加速度为0.3g时，峰-峰电压为205 mV,最大均方根输出功率为105.7μW,工作带宽可达8 Hz。

  2023年05期 v.60;No.552 758-763页 [查看摘要][在线阅读][下载 1458K]
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• 分段非线性电磁振动能量采集器

  张坤;张博;赵毫杰;冯伟;申会鹏;刘宗尧;刘保国;

  为了解决无线传感网络需要频繁能量补给的难题，设计了一种分段非线性电磁振动能量采集器，利用磁悬浮系统与机械弹簧耦合而成的非线性系统来提高能量采集器对低频、宽带环境振动能的采集能力。利用搭建的实验测试平台，研究了磁弹簧弹性系数、初始间隙、机械弹簧弹性系数及激励加速度对输出性能的影响规律。实验结果表明，当初始间隙分别为3、5和8 mm时，相应的最大输出电压分别为0.78、0.74和0.73 V;当机械弹簧弹性系数分别为0.028、0.100和0.270 N/mm时，相应的最大输出电压分别为0.73、0.72和0.57 V,工作带宽分别为3、4和5 Hz;当加速度为0.3、0.4和0.5g时，最大输出电压分别为0.39、0.57和0.73 V,对应的最大输出功率分别为3.81、8.13和13.32 mW,系统的工作带宽分别为3、3.5和4 Hz。

  2023年05期 v.60;No.552 764-769页 [查看摘要][在线阅读][下载 1332K]
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加工、测量与设备

• 基于介电泳微流控芯片实现amol级分子量检测

  周博华;林琳;赖丽燕;李以贵;

  设计并制作了一种快速检测宫颈癌细胞C4II的微流控芯片。制作的微芯片结构是采用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀(ICP-RIE)工艺制备的硅模具为核心的复合结构，微芯片中包含一个10×10的微腔室阵列，单个微腔室底面半径40μm,高度500μm,整个微腔室的理论溶液体积达到250 pL。荧光检测系统采用波长(340±15)nm的激发光滤波片和波长(480±30)nm的接收光滤波片的最佳滤光类型，同时利用介电泳(DEP)法浓缩核酸以及采用硅烷偶联法固定核酸探针OMU-opy2来增加荧光强度。实验结果表示，该微流控芯片能检测到有效荧光的样品溶液最低浓度可低至7.8 nmol/L,从而微芯片的RNA分子量检测极限提升至1.9 amol。

  2023年05期 v.60;No.552 770-778页 [查看摘要][在线阅读][下载 1763K]
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• “383Windows”电解质自支撑新构型固体氧化物燃料电池的设计与制备

  高可炎;赵苏旭;臧予安琪;霍元培;余善成;

  固体氧化物燃料电池的主要构型有电解质自支撑型与电极支撑型两种，然而这两种构型都存在明显的缺点。前者需要电解质层较厚，导致电池的欧姆阻抗较高，输出功率较低；后者的氧化还原稳定性较差，容易开裂、损坏，导致电池单体开路电压下降甚至完全失效。以氧化钇稳定的氧化锆电解质材料为例成功制备了“383Windows”构型电解质自支撑固体氧化物燃料电池，电解质层间结合紧密，结构稳定，具有优异的力学性能，在保证机械强度的前提下将电解质功能层的厚度成功降低到100μm以下。与同等厚度的厚膜电池相比，在800℃时“383Windows”构型电池的总欧姆阻抗降低了46.7%,输出性能得到了大幅度提高(最大功率密度提升了63.4%)。该结构易于拓展应用到其他电解质体系中制备固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解池及全固态锂离子动力电池等，具有很好的商业化前景。

  2023年05期 v.60;No.552 779-785页 [查看摘要][在线阅读][下载 1250K]
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• 基于行列寻址的压电超声换能器柔性曲面阵的研制

  秦芸;王智豪;张国军;杨玉华;何常德;王任鑫;

  锆钛酸铅(PZT)压电超声换能器材料由于其优异的压电性能而在微电子机械系统(MEMS)领域受到了广泛的关注。订制了边长4 cm的PZT压电陶瓷片，将压电陶瓷片与柔性印刷电路板(PCB)键合，将压电陶瓷片划成2.45 mm×2.45 mm的阵元，在沟槽内填充环氧树脂胶。将键合后的压电陶瓷片粘在曲面模具上，溅射金属形成上电极，制成14×14阵元的曲面阵，其曲率半径为10 cm。此曲面阵采用行列寻址(RCA)的方式可以在水中测到发射和接收信号，并且可以对体模进行脉冲回波成像，在超声成像领域有广阔的发展前景。制备的曲面阵可为研制直径20 cm的柱面阵提供参考。

  2023年05期 v.60;No.552 786-792页 [查看摘要][在线阅读][下载 1411K]
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• 面向GAA器件的自对准侧墙转移技术

  韩燕楚;张青竹;吴次南;李俊杰;张兆浩;田佳佳;殷华湘;

  纳米尺度的图形化以及先进刻蚀技术是先进围栅(gate-all-around, GAA)器件面临的重要挑战之一。通过自对准侧墙转移技术设计和实现了纳米尺度的鳍和栅。同时采用剪裁氮化硅硬掩膜的方案设计实现了鳍剪裁，高效率地形成均匀的鳍阵列(宽度49 nm,高度400 nm,长度402 nm)。另外，通过自对准侧墙转移技术形成了宽度为48 nm的栅，栅顶部还有较厚的SiO_2/SiN_x/SiO_2(ONO)掩膜，内部非晶硅“伪栅”被ONO硬掩膜和侧壁覆盖良好。将该两项技术应用在环栅堆叠硅纳米片金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中，获得栅长(L_G)为60 nm的器件，在0.7 V栅压时器件的驱动电流高达676μA/μm,比未用该技术的60 nm栅长的器件驱动性能提升了4.02倍，开关比(开态电流(I_(on))/关态电流(I_(off)))为5.7×10~5。该工作对未来纳米尺寸图形的制备以及先进电子器件研制具有重要的参考意义。

  2023年05期 v.60;No.552 793-802页 [查看摘要][在线阅读][下载 1901K]
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• 复配表面活性剂对新型阻挡层抛光液抛光性能的影响

  栾晓东;樊硕晨;贾儒;刘童亲;张拓;陆伟航;

  针对新型阻挡层抛光液存在Cu和正硅酸乙酯(TEOS)抛光速率一致性差、运输贮存过程中细菌滋生造成抛光表面缺陷的问题，选取脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)非离子表面活性剂和作为杀菌剂的阳离子表面活性剂十二烷基二甲基苄基氯化铵(DDBAC),通过复配2种表面活性剂研究其对Cu和TEOS抛光速率一致性以及杀菌效果的影响，并阐述相关的影响机制。实验结果表明：Cu和TEOS抛光速率随着复配表面活性剂体积分数的增加而降低，复配表面活性剂主要控制测量点到晶圆中心的距离为70～150 mm区域内的铜抛光速率，对于TEOS,复配表面活性剂主要控制0～70 mm区域内的铜抛光速率；复配表面活性剂体积分数的增加可同时提高Cu和TEOS抛光速率一致性，但高体积分数复配表面活性剂可造成表面划伤；DDBAC作为非氧化性的杀菌剂，具有较强的抗菌抑菌能力，可通过改变细菌膜通透性，使细菌裂解死亡，杀菌效果显著。

  2023年05期 v.60;No.552 803-809页 [查看摘要][在线阅读][下载 1448K]
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• 征稿通知 第15届国际专用集成电路会议

  <正>The IEEE 15~(th) International Conference on ASIC2023年10月24日—27日,中国南京主办单位国际电机与电子工程师协会北京分会(IEEE Beijing Section)承办单位复旦大学南京大学支持单位IEEE CASS IEEE SSCS上海分支会IEEE EDS上海分支会IET上海分会中国电子学会(CIE)第十五届IEEE国际专用集成电路会议(ASICON 2023)将于2023年10月24日—27日在江苏南京白金汉爵大酒店举行。这次会议旨在为VLSI电路设计者、ASIC用户、系统集成工程师、IC制造厂商、工艺和器件工程师以及CAD/CAE工具开发者提供一个国际论坛,介绍他们在各自领域获得的最新进步和研发成果。

  2023年05期 v.60;No.552 810页 [查看摘要][在线阅读][下载 550K]
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