石墨烯谐振式模数转换器制造技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯谐振式模数转换器，由驱动电路、调制机构、石墨烯梁、拾振器、反馈电路、激振器、测频电路、解算装置组成，输入被测模拟量，输出数字量。驱动电路将输入的模拟量转换为中间信号。调制机构在中间信号控制下产生调制力，即作用于石墨烯梁上的轴向力。拾振器感受振动参数，产生拾振信号。反馈电路输入拾振信号，输出激振信号。激振器在激振信号控制下产生激振力，即作用于石墨烯梁上的法向力。测频电路测量谐振频率。解算装置将谐振频率的测量值代入换算函数进行计算，取所得的值即为石墨烯谐振式模数转换器输出的数字量。本发明专利技术能够有效地提高稳定性，拓宽工作温度范围，可实现较高的抗辐照性能。

Graphene resonant analog-to-digital converter

The invention discloses a graphene resonant analog-to-digital converter, which is composed of driving circuit, modulation mechanism, graphene beam, vibration pick-up, feedback circuit, exciter, frequency measuring circuit and calculating device, and inputs the measured analog quantity and outputs the digital quantity. The driving circuit converts the input analog signals into intermediate signals. The modulation mechanism generates the modulation force under the control of intermediate signal, that is, the axial force acting on the graphene beam. Vibration pickup receives vibration parameters and generates vibration pickup signals. Feedback circuit input pickup signal and output excitation signal. Under the control of the excitation signal, the excitation force is generated by the exciter, which is the normal force acting on the graphene beam. The frequency measuring circuit measures the resonant frequency. The resolving device substitutes the measured value of resonant frequency into the conversion function and calculates the calculated value, which is the digital output of the graphene resonant analog-to-digital converter. The invention can effectively improve the stability, widen the working temperature range, and achieve higher radiation resistance.

【技术实现步骤摘要】
石墨烯谐振式模数转换器
本专利技术属于模数转换器(ADC)
，具体涉及一种石墨烯谐振式模数转换器。
技术介绍
1.本专利技术的需求背景本专利技术主要面向特殊领域的高性能测控系统或精密测量仪器。这些系统要求高质量处理中低频(30kHz～3MHz)模拟量，有时也处理高频(3MHz～30MHz)信号。对于ADC，要求兼顾交流性能和直流性能，可工作于宽温度范围(如-55℃～+125℃或更宽)。随着需求的发展，越来越倾向于在ASIC(应用定制集成电路)中内置ADC。某些场合还希望有一定的抗辐照指标要求。这类系统一般为半定制或面向行业用户的系列化产品，数量上属于中小批量，重在性能，允许略高的成本。2.传统ADC技术现状与问题传统ADC主要包括Pipeline、Sigma-Delta、SAR等结构，都属于开关电容电路，因此都使用集成电容器和MOS开关。根据具体结构，还可能用到模拟比较器或运算放大器。在测量绝对量值(而不是相对比例)的场合，还必须使用足够精确的电压基准。ADC的直流性能指标包括分辨率(位数)、精度(零点和满量程误差)、稳定性(零点和满量程漂移)、非线性(INL、DNL)等，交流性能指标包括转换时间、采样率、SFDR等。电压基准的主要性能指标包括精度(初始误差)、稳定性(漂移)、噪声等。影响ADC转换结果的因素包括：(1)元件自身，如集成电容器(精度、充放电特性)、MOS开关(电荷注入、导通电阻、漏电流)，运算放大器(输入失调、输入电流、漂移、压摆率)，模拟比较器(失调、输入电流、速度)；(2)关键元件的匹配精度；(3)原理设计与具体参数，如电容阵列规模、流水线级数、充放电电流、特殊技术措施(如利用电感加速充放电)等；(4)电压基准的性能。其中，集成电容器通常由金属电极与二氧化硅绝缘介质构成，其特性受到边缘效应、介质tanδ参数、介质漏电流、杂散电容等众多物理因素的影响；运算放大器、模拟比较器和MOS开关均以MOS晶体管为基本元件，其性能从根本上受到MOS晶体管的栅-源效应、沟道效应和载流子迁移率等物理因素的影响；元件匹配精度依赖于版图技巧和工艺精度；阵列规模受成本、杂散电容、引线阻抗等因素制约；充放电电流受功耗、局部热效应等因素制约；电压基准的温度漂移是由带隙电路的物理规律决定的，由于带隙电路与补偿电路的温度曲线公式不同，本质上无法完全消除。以下用具体数据说明问题。针对本专利技术的需求背景，ADC的选型区间为20Msps～100Msps/14bit～16bit。流行的工业SoC处理器(如STM32系列)的片内ADC达不到要求，只考虑单片式高性能ADC产品。典型型号包括ADI公司的AD9265和Maxim公司的MAX19588。它们的INL优于3LSB甚至2LSB，零点漂移优于±2ppm/℃，满量程漂移优于±15ppm/℃，晶体管数量为108量级，采用0.18μm级别的工艺。这些产品的单价为百美元量级，如果要处理很多路信号，成本较可观。电压基准方面，市售的典型高性能产品为Maxim的MAX6350，指标(精度、温漂)为0.02％、1ppm/℃，但工作电压较高；ADI的ADR4525指标为0.02％、2ppm/℃，且可在3V下工作。这些都属于独立电压基准器件，一般采用激光修正技术获得高性能，ASIC内置的电压基准一般难以达到这种性能。采用标准工艺的集成电路产品，常规工作温度范围为-40℃～+85℃，高等级器件可达+105℃甚至+125℃，但高温下性能指标会降低；而ASIC还可能存在耦合干扰问题。总之，ADC属于混合信号处理电路，其研发本来就存在参数优化和版图设计的难题。为满足直流性能、交流性能、电路规模、功耗、高温性能、抗辐照性能、ASIC集成的多重要求，有关研发机构需要付出更大的代价。3.新技术途径及其可行性基于石墨烯谐振器的技术进展，本专利技术提出了新的技术途径，即基于石墨烯谐振器的技术途径。石墨烯是一种新型二维薄膜材料，厚度只有一层原子，具有特殊的机械和电学特性。在微纳器件领域，基于石墨烯(特指单层石墨烯)的谐振器是重要研究方向之一。石墨烯谐振器实验研究方面：2007年，美国康奈尔大学McEuenPL课题组首次将石墨烯应用于谐振器，得到了其谐振频率的一些规律。2009年，美国哥伦比亚大学HoneJ课题组研制出了与硅MEMS结构结合的单层石墨烯谐振器，实现了机械振动的电学检测，并发现了谐振频率与硅电极电压有关。2010年，美国康奈尔大学McEuenPL课题组通过电激励和光检测手段测试了自制石墨烯谐振器。2013年，该课题组利用SU-8胶制成了周边固支的鼓型谐振器。2016年，北京航空航天大学樊尚春研究小组设计制备了一种圆形薄膜石墨烯谐振器，通过理论和实验研究了结构参数与温度对其谐振特性的影响规律。这些实验为石墨烯谐振器的技术可行性提供了依据。石墨烯谐振器理论研究方面：2008年，瑞典查尔默斯技术大学AtalayaJ等将单层石墨烯看成弹性薄板，分析了无缺陷四边固支石墨烯的静态响应和动态响应，给出了谐振频率近似计算公式。2009年，印度理工学院MurmuT等利用非局部弹性理论分析了嵌在弹性介质中的单层石墨烯的振动特性。2012年，加拿大曼尼托巴大学ArashB使用分子动力学方法研究了非局部弹性理论。2012年，韩国世明大学KwonOK等利用分子动力学方法分析了纳米压痕下石墨烯谐振器的力学响应，发现石墨烯谐振器很大程度上可以被纳米压力和初始位移调谐，石墨烯谐振器也因此具有做成传感器的巨大潜力。2016年，北京航空航天大学邢维巍研究小组采用分子动力学方法研究和总结了单层石墨烯谐振器的谐振特性，包括自由振动时的谐振频率和振型，以及尺寸、手性、应变、初始位移、边界条件等因素对其谐振特性的影响，为石墨烯谐振器与硅微机构的结合提供了部分理论依据。石墨烯谐振器制作工艺方面：2010年，美国康奈尔大学McEuenPL课题组通过化学气相沉积法制作出单层石墨烯谐振器。近年来发展的在金属Cu和Ni箔片或SiO2薄膜表面通过CVD生长单层或薄层石墨烯的方法，其石墨烯膜的制作质量得到了很大提高。2016年，中科院物理所纳米物理与器件实验室已经在Ru(0001)单晶表面获得了毫米量级高质量连续无缺陷的单晶单层石墨烯材料。这些高质量石墨烯材料无疑为高性能石墨烯谐振器的制作奠定了坚实基础。4.总结基于上述参考资料，本专利技术所需的石墨烯谐振器，即基于石墨烯材料的、可与电信号交互的、可与硅MEMS结构集成的机械谐振器，已经具备了初步的理论基础和技术可行性。但是，以这种谐振器为核心构成ADC，国内外尚无类似研究。对于构成ADC，石墨烯谐振器的有益特点包括：尺寸微小(纳米至微米量级)、谐振频率高(数百MHz至GHz量级)、温度稳定性高、Q值高等，以及，作为一种机械谐振器，几乎不受辐射的影响。
技术实现思路
1.本专利技术解决的技术问题本专利技术解决特殊领域ASIC中集成高性能ADC所面临的设计难度高、工艺难度高、工作温度范围有限、不易实现抗辐照指标、电路规模庞大，以及依赖高性能电压基准等问题。2.本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案石墨烯谐振式模数转换器，包括驱动电路1、调制机构2、石墨烯梁3、拾振器4、反馈电路5、激振器6、测频电路7和解算装置8，其输入包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯谐振式模数转换器，其特征在于：包括驱动电路(1)、调制机构(2)、石墨烯梁(3)、拾振器(4)、反馈电路(5)、激振器(6)、测频电路(7)和解算装置(8)，模数转换器输入包括被测模拟量(Ain)和采样时钟(Ks)，模数转换器输出包括数字量(Dout)，被测模拟量(Ain)为模拟电信号，采样时钟(Ks)为数字时钟信号，数字输出(Dout)为数字量；驱动电路(1)为放大电路，输入被测模拟量(Ain)，输出中间信号(Am)；调制机构(2)为机电执行机构，输入中间信号(Am)，产生调制力(Fm)；中间信号(Am)为电压或电流，其幅度远大于驱动电路(1)的输出等效噪声，小于驱动电路(1)的输出饱和幅度，小于调制机构(2)的最大允许输入幅度；石墨烯梁(3)为用石墨烯材料制造的双端固支的梁谐振器；调制力(Fm)为沿轴向施加在石墨烯梁的力，激振力(Fexi)为沿法向施加在石墨烯梁的的交变力；拾振器(4)为机械量传感器，感受石墨烯梁(3)的振动参数(Pv)，输出拾振信号(Adet)，振动参数(Pv)包括石墨烯梁的速度、加速度和位移，拾振信号(Adet)为与振动参数(Pv)对应的电信号；反馈电路(5)输入所述的拾振信号(Adet)，输出激振信号(Aexi)，激振信号(Aexi)为与拾振信号(Adet)对应的电压或电流；激振器(6)在激振信号(Aexi)控制下产生对应的激振力(Fexi)；测频电路(7)包括时序逻辑电路，还包括频率基准器件或具有频率基准输入端，输入拾振信号(Adet)，输出频率数值(Nf)；频率数值(Nf)是在每个采样时刻(tsi)的拾振信号(Adet)频率的测量值；采样时刻(tsi)为采样时钟(Ks)规定的一系列时间片段；解算装置(8)为数值算法，将频率数值(Nf)代入换算函数(gk)求函数值，以所求得的函数值为所述的数字输出(Dout)的数值；换算函数(gk)为一元可逆实函数。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯谐振式模数转换器，其特征在于：包括驱动电路(1)、调制机构(2)、石墨烯梁(3)、拾振器(4)、反馈电路(5)、激振器(6)、测频电路(7)和解算装置(8)，模数转换器输入包括被测模拟量(Ain)和采样时钟(Ks)，模数转换器输出包括数字量(Dout)，被测模拟量(Ain)为模拟电信号，采样时钟(Ks)为数字时钟信号，数字输出(Dout)为数字量；驱动电路(1)为放大电路，输入被测模拟量(Ain)，输出中间信号(Am)；调制机构(2)为机电执行机构，输入中间信号(Am)，产生调制力(Fm)；中间信号(Am)为电压或电流，其幅度远大于驱动电路(1)的输出等效噪声，小于驱动电路(1)的输出饱和幅度，小于调制机构(2)的最大允许输入幅度；石墨烯梁(3)为用石墨烯材料制造的双端固支的梁谐振器；调制力(Fm)为沿轴向施加在石墨烯梁的力，激振力(Fexi)为沿法向施加在石墨烯梁的的交变力；拾振器(4)为机械量传感器，感受石墨烯梁(3)的振动参数(Pv)，输出拾振信号(Adet)，振动参数(Pv)包括石墨烯梁的速度、加速度和位移，拾振信号(Adet)为与振动参数(Pv)对应的电信号；反馈电路(5)输入所述的拾振信号(Adet)，输出激振信号(Aexi)，激振信号(Aexi)为与拾振信号(Adet)对应的电压或电流；激振器(6)在激振信号(Aexi)控制下产生对应的激振力(Fexi)；测频电路(7)包括时序逻辑电路，还包括频率基准器件或具有频率基准输入端，输入拾振信号(Adet)，输出频率数值(Nf)；频率数值(Nf)是在每个采样时刻(tsi)的拾振信号(Adet)频率的测量值；采样时刻(tsi)为采样时钟(Ks)规定的一系列时间片段；解算装置(8)为数值算法，将频率数值(Nf)代入换算函数(gk)求函数值，以所求得的函数值为所述的数字输出(Dout)的数值；换算函数(gk)为一元可逆实函数。2.根据权利要求1所述的石墨烯谐振式模数转换器，其特征在于：所述的调制机构(2)为调制机构定极板(21)和调制机构动极板(22)组成的平板电容器结构；调制机构定极板(21)为固定的平板导体；调制机构动极板(22)为附着于所述的石墨烯梁(3)的导电薄膜，或借用石墨烯梁(3)自身；所述的中间信号(Am)为电压信号，施加于调制机构定极板(21)和调制机构动极板(22)之间；当所述的被测模拟量(Ain)为电压信号，所述的驱动电路(1)为电压放大电路；当被测模拟量(Ain)为电流信号，驱动电路(1)为跨阻放大电路。3.根据权利要求1所述的石墨烯谐振式模数转换器，其特征在于：所述的调制机构(2)包括调制机构磁体(31)和调制机构导体(32)；调制机构磁体(31)产生的磁感应强度包含穿过所述的石墨烯梁(3)并与其轴向和法向均正交的分量；调制机构导体(32)采用附着于石...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢维巍，马翠萍，樊尚春，韦祎，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11