Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics

3D conformable electronic devices on freeform surfaces show superior performance to the conventional, planar ones. They represent a trend of future electronics and have witnessed exponential growth in various applications. However, their potential is largely limited by a lack of sophisticated fabrication techniques. To tackle this challenge, a new direct freeform laser (DFL) fabrication method enabled by a 5-axis laser processing platform for directly fabricating 3D conformable electronics on targeted arbitrary surfaces is reported. Accordingly, representative laser-induced graphene (LIG), metals, and metal oxides are successfully fabricated as high-performance sensing and electrode materials from different material precursors on various types of substrates for applications in temperature/light/gas sensing, energy storage, and printed circuit board for circuit. Last but not the least, to demonstrate an application in smart homes, LIG-based conformable strain sensors are fabricated and distributed in designated locations of an artificial tree. The distributed sensors have the capability of monitoring the wind speed and direction with the assistance of well-trained machine-learning models. This novel process will pave a new and general route to fabricating 3D conformable electronic devices, thus creating new opportunities in robotics, biomedical sensing, structural health, environmental monitoring, and Internet of Things applications.     

生物医学工程专业融合式课程体系建设探索

生物医学工程专业的一大特点是多学科的交叉和融合,这一特点在给这一领域带来蓬勃生机的同时,也为本科生培养课程体系建设提出了很大挑战。如何在有限的学时内,实现在知识体系上的良好融合,一直以来都是生物医学工程专业学生培养面临的难题;南方科技大学生物医学工程系基于本身专业发展特色,在融合式课程体系建设上进行了一些尝试,经过近两年的实践,效果良好     

用于超外差接收机提供本振源的高功率510 GHz单片集成三倍频器

本文介绍了一种基于砷化镓材料的高功率490~530 GHz单片集成三倍频器。基于提出的对称平衡结构,该三倍频器不仅可以实现良好的振幅和相位平衡,用来实现高效的功率合成,还可以在没有任何旁路电容的情况下提供直流偏置路径以保证高效倍频效率。同时,开展容差性仿真分析二极管关键电气参数与结构参数对倍频性能的影响研究,以便最大化提升倍频性能。最终,在大约80~200 mW的输入功率驱动下,研制的510 GHz三倍频,在490~530 GHz频率范围内,输出功率为4~16 mW,其中峰值倍频效率11%。在522 GHz频点处,该三倍频在218 mW的输入功率驱动下,产生16 mW的最大输出功率。该三倍频器后期将用于1 THz的固态外超外差混频器的本振源。     

基于压缩感知的BOTDA性能增强方法

为了提高布里渊光时域分析系统(BOTDA)在长距离监测应用中的实时性,提出了一种基于压缩感知的布里渊光时域系统实时性增强方法。该方法包含稀疏表示、随机采样和信号重构三个部分。首先采用K-均值奇异值分解算法获得布里渊增益谱的稀疏表示,然后通过高斯随机采样和正交匹配追踪算法进行布里渊增益谱重构。为了验证所提方法的性能,仿真生成了不同信噪比水平的布里渊增益谱,搭建了45 km的布里渊光时域系统进行温度传感实验。仿真和实验结果表明:在累加平均次数为100时,所提算法将信噪比提升了6.37 dB,优于累加平均次数3000时的10.13 dB,对应测量时间减少了1/30;采用8 MHz步长数据重构布里渊增益谱,该方法的重构结果与4 MHz步长数据的相关系数为0.9992,对应扫频时间减少了一半。所提算法在保证测量精度的同时提升了测量实时性。     

基于闭式谐振腔的一体化介电常数测量系统

为替代矢量网络分析仪,形成一套专用于闭式谐振腔的测量系统,本文采用频谱分析仪模块和跟踪发生器模块,基于C++和VISA库函数进行系统控制,使两模块可以同步收发射频信号,实现闭式谐振腔谐振频率和Q值的测量功能,最终实现微波介质材料的介电常数的测量,形成一套一体化闭式谐振腔介电常数测量系统。该系统与矢量网络分析仪对比测量微波介质陶瓷材料K65,介电常数的相对误差为5.5×10^-3,tanδ的相对误差为-3.74×10^-2;对比测量材料K35,介电常数的相对误差为-1.69×10^-3,tanδ的相对误差为1.08×10^-1。测量结果相对误差较小,介电常数的相对误差小于0.01,tanδ的相对误差小于0.5,说明一体化介电常数测量系统的测量结果准确,可用于闭式谐振腔方法下的介电常数测量,也可推广用于其他介电常数测量系统。     

多功能射频综合系统中的电磁协同北大核心CSCD

限定时空条件下,射频综合系统有效发挥多功能效应的实质是实现系统多功能协同高效运行,而制约其协同高效运行的瓶颈是特定时空条件下可用的电磁资源。电磁资源的高效利用依赖电磁协同,是按照任务要求及限定条件,在时间、频率、空间、能量多个维度寻求构建电磁协同自组织结构的最优解,并确定具体任务时空下有序运行自组织结构的驱动方式,按照求解出的电磁资源动态分配结果,执行任务,使系统电磁效应在任务牵引下受控。电磁协同服务于多功能射频综合系统融合,可以有效利用、管理战场电磁环境,高效提升多功能射频综合系统的运行效率。本文从多功能射频综合系统融合运行之瓶颈、电磁协同概念和电磁协同方法三个方面论述电磁协同的核心要点,期望为实现多功能射频综合系统融合运行提供可行的技术途径。     

Ku波段宽带高增益基片集成腔圆极化阵列天线北大核心CSCD

提出了一款应用于Ku波段的宽带高增益基片集成腔(Substrate Integrated Cavity,SIC)圆极化阵列天线。通过引入沿SIC口径面对角线放置的一对半月形寄生贴片和SIC底部馈电纵缝,使SIC中的TM_(211)和TM_(121)谐振模式幅值相等、相位相差90°,产生高增益圆极化辐射。同时,双寄生贴片还引入了一种背腔缝隙耦合振子圆极化辐射模式,扩宽了天线高增益圆极化辐射带宽。在此基础上,设计了一款2×2单元顺序旋转馈电的SIC圆极化阵列天线。阵列天线采用双层基片集成波导顺序相移馈电网络进行馈电,进一步增大了天线的圆极化带宽。综合考虑天线的-10 dB反射系数带宽、3 dB轴比带宽和3 dB增益带宽,测试结果表明,圆极化阵列天线的有效带宽为10.74-13.30 GHz(21.3%),在通带范围内最大增益为14.50 dBi。     

低损耗氮化硅延迟线芯片及组件验证

光控相控阵技术有望解决传统相控阵雷达中电相移器带来的波束倾斜和波形展宽问题,基于光子集成技术的延迟线芯片与波束形成技术受到了广泛研究。本文研制了低损耗MZI步进型延迟线芯片,其延时步进6.4 ps,位数5 bit,最大延时量198.4 ps,波导损耗＜0.1 dB/cm。实现了芯片的模块化封装,延时状态切换速度优于100 μs,1~20 GHz工作频率范围,其电幅度一致性±4.5 dB,相位一致性±23°,光功率一致性±1.5 dB,延时量误差为-0.6 ~+2.0 ps。本文研制了八阵元光控波束形成网络样机,实现了从-35°到+35°的波束扫描,验证了基于低损耗氮化硅延迟线芯片的波束形成技术。     

硅基片上集成二维光控多波束形成的研究

传统雷达系统在当今日益复杂的电磁环境中面临严重挑战,而集成微波光子学技术可突破传统雷达的技术瓶颈,具有大带宽、高分辨率、高复用度、高集成化等技术优势。本文基于集成微波光子技术,研制了一款硅基集成二维光控多波束形成系统样机,提出了一种基于二氧化硅平面光波导的片上集成二维光控多波束形成系统架构,结合流片加工平台完成了关键光芯片的设计流片和封装测试,最终完成系统样机整机联调测试,并对实验结果进行理论计算处理,验证了硅基集成波束形成系统的关键性能指标。系统具有大瞬时带宽、二维同时多波束、各波束多波位独立扫描的能力,与此同时兼具硅基光子集成技术的小型化、轻量化、低成本等优势,试验结果验证了集成微波光子技术应用于雷达系统的先进性和应用潜力。     

Metal Micropatterning by Triboelectric Spark Discharge

Metal micropatterns play critical roles in flexible electronics. However, the lack of versatile strategies for micropatterning of diverse metal materials on various thin, flexible or stretchable substrates has limited the rapid development of flexible electronics. Here, a metal micropatterning method by triboelectric spark discharge under atmospheric environment is developed, where a triboelectric nanogenerator (TENG) is employed to precisely and safely control the voltage, current, and frequency of the spark discharges. Micropatterns of metal films like gold, silver, copper, aluminum and platinum are successfully fabricated on substrates of polyimide, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polydimethylsiloxane, paper or latex, even on ultrathin substrates (5 μm thick) without damage, where the feature sizes of metal patterns are controllable from 20 μm to 1 mm. Experimental insights into the triboelectric spark discharge behaviors and the pattern feature sizes control are discussed. A straightforward fabrication of metal patterns on the balloon surface or human skin through “handwriting” by a pencil as discharge electrode is realized. Besides metals, extended processibility of conductive materials like carbon nanotubes, graphene, MXene, graphite, carbon fibers, and conductive polymers are also demonstrated. This work proves the possibility of microfabrication by TENG, which is of simplicity and attractiveness for flexible electronics.