深亚微米（共11篇）
深亚微米 篇1
存储器按照工作方式分为易失性和非易失性两类。非易失性存储器的数据在掉电后不会丢失, 再次上电后仍保持先前的数据不变。易失性存储器的数据在掉电后丢失, 再次上电后的数据为随机数据。易失性存储器又可分为静态和动态两种, 两者的区分在于维持数据是否需要刷新电路, 静态存储器无需刷新电路, 而动态存储器 (DRAM) 则不同。静态随机存储器SRAM是StaticR andom AccessM em ory的缩写, 是易失性存储器。在所有存储器中, SRAM速度最快, 因此它是计算机系统中直接与C PU交换数据的器件。不管是大型机中的C ache, 还是SO C中的寄存器, SRAM是用于与CPU直接交换数据的必不可少的部件, 可以说含有C PU的系统, 就要用到SRAM, 甚至在没有C PU的系统中也需要SRAM, 如高速数据采集系统。
1 SRAM的基本原理
1) SRAM存储单元:SRAM存储单元业界通常使用6T结构, 如左下图。可以看到存储单元由一对反向器形成锁存结构, 因为其反馈结构, 比较稳定, 不需要刷新。读数据时, 由驱动管M1/M2通过M3/M4来下拉位线, 并不依靠电容共享, 速度较快。当然, 由于MOS管数量较多, 因此SRAM存储单元面积较DRAM大。存储单元占据了SRAM中大部分的版图面积, 但仅有存储单元, 是无法对其进行读写操作的, 通常情况SRAM由2n个字构成, 每个字存储2m位。在这种架构中, 每个字排成一行, 每个字中的每一位排成一列, 两者构成阵列。再加上外围的读控制电路、行选择、列选择、灵敏放大和输入输出驱动等部件构成右下图所示系统, 然后即可对其进行读写控制了。
2) SRAM读写控制逻辑:在读操作前, 行地址A[m-1:0], 列地址A[n-1:0]会预先准备在地址译码器输入处, 行地址负责选择打开存储阵列某一行的字线, 而列地址负责纵向从数条位线中选通其中的一条, 送读取信息给灵敏放大器。写操作基本类似, 只是需要预先提供需要写入的数据, 并且因为写操作均采用全摆幅的操作, 不需要敏感放大, 数据通路上增加了输入缓冲电路, 由于存储单元的互补配置, 输入缓冲的驱动也需要双端的互补配置。
2 SRAM主要功能部件
1) SRAM Cell的选择:本论文中SRAM C ell采用六管存储单元, 对于90nm工艺六管存储单元在物理布局上, 目前主要有两种:传统的SRAM Cell (C onventionalSRAM Cell) 版图布局和分裂字线SRAM Cell (SplitW ordLineSR A M Cell) 的版图布局。使用分裂字线SR AM Cell (SWL) 相对于传统的SRAM Cell (CWL) 具有线长较短、面积较小、Cell尺寸进一步缩小、稳定性高、允许低工作电压、高抗噪声免疫力等优点。所以本设计采用分裂字线SRAM Cell。2) 地址编码电路:地址编码的功能主要为了将二进制的编码转换为选通信号, 其电路较为简单, 但论文中设计的是128K×16共2M b的SRAM容量很大, 共需要17根地址线, 直接进行编码十分困难。为了减小面积, 减少金属走线, 通常会需要多次编码。3) 列复用电路:它是由一排开关组成, 控制信号编码选通相应的开关, 将位线与读写数据线连接, 从而实现从许多的列中选择某一列的功能。而没有被选通的列, 适应SRAM存储单元的性质, 被保持充电为高电平。对于128K×16共2M b的SRAM来说, 只要将16组BL、BLB通过相应的并关 (MOS FET) 分别连接到R B L、RBLB和WBL、WBLB即可。4) 输入缓冲:输入缓冲电路没有什么特殊, 基本由触发器和驱动电路组成, 实现写操作时, 内部时钟沿触发触发器, 采样写入的数据, 并转为双端, 驱动输出, 驱动能力需要能够翻转打开的存储单元, 需要仔细的调整尺寸, 以免出错或浪费面积。5) 输出驱动缓冲电路:存储器输出数据时, 内部时钟会打开选择的字线, 这时同一行上的所有存储单元均打开, 下拉位线电压, 一般位线电压不会被存储单元下拉为全摆幅, 仅下拉约10%vdd, 下拉位线导致的差分小信号会进入列复用电路, 而复用电路会根据列编码选通其中某些列, 传输读取的小信号至灵敏放大器, 灵敏放大器将小信号放大为有效的输出信号, 供输出缓冲电路输出。设计中采用新型灵敏放大器, SA (SenseA m plifier) 必须能够放大非常微小的信号, 本设计要求能分辨出现100M V的电压差。输出缓冲:输出缓冲主要功能是驱动输出, 输出数据总线常常被共用, 所以输出常常带有一个可选择的高阻态。6) 时序控制电路:时序控制电路主要功能是, 产生内部时钟控制信号, 达到控制其它功能模块的操作的目的。
3 版图设计与物理布局
根据上述功能模块的划分, 并根据2M b存取容量及90nm工艺尺寸预估芯片面积4m m 2。在进行版图设计与物理布局时主要考虑以下几个问题。
1) SRAM CELL阵列的架构和布局:首先本论文设计的深亚微米高速低功耗SRAM中, 存储器的容量为2M b, SRAM CELL的面积占整个芯片的主要部分, 因此也决定了整个芯片的形状。同时为了减少因应力作用造成的损坏, 提高成品率, 需要使整个芯片尽量成正方形。其次为提高芯片工作速度, 减少字线、位线、MOS管的负载, 经过估算, 综合考虑面积和速度, 将整个2M b的存储器分成四个大的SUB Array, 每个SUBA rray的大小为512K Bits, 由4个Block组成。2) SRAM外围电路的架构和布局:在版图布局中, 把电源PA D放在I/OPAD之间, 并尽量靠近输入缓冲器和输出缓冲器。在各个数据信号与地址信号走线时, 尽量按照路径的最短、路径长度一致的要求来排列B UF。3) WL、BL的排列与布局:WordLine按从左到右的顺序, 从高位到低位排列;Bit Line按从上到下的顺序, 从高位向低位排列。
4 结语
本论文详细介绍了SRAM基本工作原理, 各主要功能部件, 并在此基础上给出了90nm工艺条件下高速低功耗2M b大容量SRAM初步设计方案。
摘要：静态随机存储器SRAM是数字系统的最重要部件之一, 深亚微米工艺制造技术使得高速低功耗大容量SRAM成为可能。本文结合90nm工艺条件下, 2Mb高速低功耗SRAM设计过程, 详细阐述了SRAM结构、工作原理, 各功能部件, 版图设计, 物理布局等内容。
关键词：深亚微米,SRAM,存储阵列,版图设计
参考文献
[1]Neil H.E.Weste.CMOS VLSI Design.Published by Addison-wesley, 2006
[2]李哲英、骆丽.数字集成电路设计.北京:机械工业出版社[M].2008.
深亚微米 篇2
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美科学家发明隐身斗篷超薄材料：仅几微米厚(图)
美国德克萨斯州大学的科学家在研制隐形斗篷时使用的圆柱，拍照时仍然可
见
据国外媒体报道，美国德克萨斯州大学的科学家发明了一种超薄材料，能够让物体对微波隐形。这种新材料的问世让研制隐身斗篷的梦想进一步照进现实。一直以来，科学家在研制隐身斗篷时使用非常笨重的超材料。对于致力于复制哈利-波特型神奇织物的人来说，这是一个明显缺陷。
现在，美国科学家研制出一种只有几微米厚的斗篷，可以让三维物体在它们的自然环境下对微波隐形，不管观察者处在哪一个方向和哪一个位置。研究过 程中，他们采用了一种新型超薄层，名为“超屏”(metascreen)。超屏斗篷通过将铜带附在柔软的聚碳酸酯薄膜上制成，能够让一根18厘米的圆柱对 微波隐形，隐形效果在微波频率处在3.6 GHz以及相对适中的带宽时最佳。根据研究人员的预测，形状怪异以及不规则的物体也可以采取相同的方式隐形。
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在测试时拍摄，科学家让微波穿过圆柱，而后在这个物体周围移动测量天线
当声波、光波、X射线或者微 波等波束从物体表面反弹时，物体便被探测到。我们之所以能够看到物体是因为从其表面反射的光线进入我们的眼睛，眼睛能够处理这种信息。此前进行的隐身斗篷 研究使用超材料让物体周围的波束发生弯曲。德州大学科学家采用的方法被他们称之为“覆盖隐形”，利用超薄金属超屏抵消从被“斗篷”遮住的物体表面散射的波束。
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《哈利-波特与魔法石》剧照，展示了片中的隐身斗篷
研究论文合著者安德里亚-阿 鲁教授表示：“斗篷的散射场与物体表面散射的波束相互抵消，整体效果透明不可见，无论观察者从哪个角度观察。覆盖隐形与现有技术相比拥有的优势包括一致性、易于制造以及改进的带宽。我们的研究发现你无需使用笨重的超材料抵消来自物体的散射，一个外形与物体一致的简单网格式表面可能是一种有效的做法，在很 多方面甚至优于笨重的超材料。”
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圆柱体隐形时，微波的位置（红色和蓝色）几乎与没有圆柱体存在时一模一
样 2012年，同一组研究人员首次成功让一个三维物体隐形。根据他们刊登在《新物理学杂志》上的研究论文，他们采用一种名为“等离子体光子隐形” 的方式，利用笨重的材料抵消波束的散射。研究人员当前面临的挑战是如何利用覆盖隐形技术让物体在可见光条件下隐形。阿鲁表示：“理论上说，这项技术能够让 物体在可见光条件下隐形。超屏在可见光频率下的效用超过超材料。这项技术让我们朝着研制实用隐形斗篷更进一步。利用这种方法隐形的物体的尺寸可随着操作波 长按比例放大，在各种光学频率下，我们都能有效阻止微米级的物体散射波束。根据我们的设想，覆盖斗篷拥有其他一系列令人兴奋的应用，例如研制光学纳米标签 和纳米开关以及非侵入式传感装置，让生物医学和光学仪器成为受益者。”
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张超，用照片捕捉微米与光年的人 篇3
张超，1982年出生，北京人。毕业于北京师范大学天文系，天体物理学硕士，现任职于国家天文台《中国国家天文》杂志。作品有《荒野传奇》和《云与大气现象》等。
太阳升起、落下，天空飘着一朵白云，头顶上的一片星空……对有的人来说，这种长久陪伴在身边的东西，只是儿时的趣味，早已消逝在奔忙的生活中，被忽略、被无视、被遗忘；对有的人来说，却是一份触手可及的美好.他们用一双善于发现的眼，随时捕捉生命中的每一个精彩。张超就属于后者。
这个在国家天文台工作的“80后”，本职以外有着多重身份：天文摄影师、显微摄影师，他所拍摄的对象，大到银河中以光年计量的星云，小到身边以微米计量的尘粒，云朵、雪花、小虫，乃至厨房里的酱油、盐，都在他的镜头下绽放出了奇幻的美。
仰望天空，追云逐月
采访张超，是在国家天文台的一个仓库里，墙边堆满了大大小小的望远镜。看到摄影记者开始架灯，他不好意思地拢了拢头发：“今天有日偏食，我早上6点多就到单位了，都没来得及洗脸梳头。”
张超的手机放在桌上，很显眼。因为是一个超级厚的“砖头”，和现在的薄屏手机格格不入，“它作为手机是没什么优势，但自带可变焦镜头，拍太阳、月亮、云朵都没问题，就是太耗电了。”他说。
随时拍天上的云朵是张超的一个习惯。两年前，他和妻子王燕平、好友王辰出了一本名叫《云与大气现象》的书，是我国第一本关于云朵的原创科普读物。里面收录了300多张精美的云彩照片。“有人曾问我，天上有多少种云？我说有80多种，一般听到的人会觉得非常失望，天上的云千变万化，怎么才80多种啊？但确实是这样。”
张超对云彩的兴趣来自小时候。“我还是个孩子时，看到漂亮的云朵就会想：要是有个照相机能把它们拍下来就好了。”可在上世纪80年代，相机这样的“贵重物品”一般是不会让小孩子玩的，张超孩提时代的主要活动是收集昆虫标本和树叶，“北京有200多种蝴蝶，我小时候收集了100多种。”
拥有第一台相机，是在张超读大学时。从小对自然感兴趣的他，高考时报了两个专业：生物和天文，最终被北京师范大学天文系录取。进校没多久，他就“斥巨资”组装了一台单反相机：机身是苏联产的基辅19，镜头自己单配的，比机身还要贵两倍。后来觉得用着不过瘾，又买了一台日本产的。
天文系的学生，自然是要仰望天空的。整个研究生期间，张超都是在国家天文台兴隆观测站度过的。这个站位于河北省兴隆县的燕山腹地，海拔将近1000米。张超白天休息，晚上则要操作望远镜追逐天体，对着目标天体观测，一张一张地拍照片，大半年都是这样。
“每当我用望远镜在繁星中间寻找一个新目标时，看到它的那一刹那，就会产生一种顿悟，好像我突然发现了一个新世界。”但很多时候，张超也会觉得，“那些天体离我是那么遥远，是我永远也触碰不到的。”他想去拍更近一些的，于是云朵进入了他的视线、他的镜头。
观察这种虚无缥缈的东西，在张超看来格外有乐趣，波浪般的卷层云，逗号般的卷积云……有一个傍晚，他在楼下拍到麦穗一样的卷云，忍不住发微博：天上立着一个麦穗可太逗了！在沙中看世界，在雪花中感知自我
张超曾在一次公开演讲中说：“即便是随处可见的生活，也有很多美的存在，乏味可能是因为视角。”他是个好奇心爆棚的人，并不满足于单纯的仰望天空，也低头于细小，用显微镜寻找不一样的世界。
比如雪花就是张超显微镜头下的主角。雪很美，但拍起来很难，他反反复复地试验，才拍出了成功的照片。“最难的是控制温度。往往是雪一落到载玻片上，还没来得及拍摄，就融化了。至少得在零下15摄氏度的环境里才行。”为了追雪，他从西部的新疆到东边的吉林，哪里雪大，就去哪儿拍，在户外一待就是几个小时。“最多的时候，浑身上下贴了14个暖贴，冷到直接把暖贴贴脸上，这完全是违反使用说明的，也不管了。但还是不太管用。”
洁白无瑕的雪花，在张超的镜头下也千变万化。有的长着细密的“花瓣”，有的就是个六边形盘子，有的瘦小细脆，有的丰硕结实，有的就是个简简单单的三角形、四边形，有的却能长到10多瓣。“每次下雪之前，能看到什么样的雪花都是不可预测的。雪花有千万种，每个人一定能找到自己最喜欢的一朵。”张超说他自己最喜欢的是三角形的，因为最少拍到，极其珍贵，“看起来萌萌的”。
显微镜和望远镜，低头于细小和仰望着天空，一个微小，一个浩瀚，在张超看来，其实是一样的，“它们都是通过一些手段去看一般人看不到的东西，认识另一个世界”。
在这个“新世界”，那些“重口味”的东西也可能蕴涵着不一样的美。玩具里的电池漏液了，他拍；桃子发霉了，他拍；打死一只蚊子，他拍；甚至连儿子的尿，他也拍出了一幅充满斑斓色彩的图片；喝水的杯子长了黑色的霉，恶心之余他也用显微镜看了看，拍了张照片后记录道：“还挺逗的。也许蚂蚁什么的也把它认作蘑菇吧。”
博物有意思，科技有力量
无论是拍天空还是拍身边，与张超的本职工作其实都有点关系。那些照片并不只是让他自我陶醉的“无用之美”，而是广受大众欢迎的科普媒介。他获得过多次专业摄影比赛奖项，办过科普展览、趣味活动，每次都吸引来不少“粉丝”。
张超曾在国家天文台做过一段时间的科普管理工作。他说：“很多人都觉得科研做不了才做科普，其实不是那么简单的事。我觉得反而是科研满足不了我，我需要更广阔的视野。”
超深亚微米工艺下预防串扰方法 篇4
随着光刻和集成电路制造工艺的不断进步,以及芯片特征尺寸从深亚微米到超深亚微米的迅速采用,一方面因为芯片功能的极大提高和功耗的显著降低而收益。但另一方面,集成电路设计进入深亚微米后,互连线的布线密度变大,层数增多,高宽比变大等因素使得容性串扰噪声影响明显;当逻辑门的沟道长度减小时,门的开关时间会减小,这意味着输出驱动器上升时间变短,或者说时钟频率可以更高,从而使噪声幅度变大,感性串扰显现;更多高性能IP模块的应用加剧了噪声分析的难度:芯片电源电压的不断变小使数字电路耐噪声性能变差。在数字电路中有诸多噪声源可形成不同类型的噪声:串扰噪声、同步开关噪声(电源地噪声)、漏电流噪声和传输噪声等,该文主要关注对芯片信号完整性影响最严重的串扰噪声和同步开关噪声。
1 串扰的产生及主要影响因素
芯片上的串扰是由互连线之间的寄生耦合引起的噪声。串扰通常发生在2条并行且距离较近的长走线上。其中驱动能力较强,当信号发生改变时能够影响另一条走线的金属线被认为是干扰线,而另一条线被认为是受扰线。
图1是对一组相邻走线的串扰分析。当干扰线上的信号翻转时,由于两线之间的寄生电容两端电压不能突变,导致受扰线上的电压也随之变化。如果此时受扰线上的信号是稳定的,那么受扰线上将产生一定幅度的脉冲,如果这个脉冲的宽度满足保持时间,就可能造成逻辑门误判,如图1(a)所示。如果此时受扰线上的信号也在翻转,那么串扰脉冲就可能和翻转信号叠加或者抵消,从而改善或恶化时序,如图1(b)所示。当存在改善时序的情形时,有可能对电路的保持时间造成影响;当存在恶化时序的情形时,有可能对电路的建立时间造成影响。
根据串扰产生的机理可以分析出影响串扰强度的主要因素如下:
(1)驱动端驱动强度:驱动器的驱动强度由晶体管的宽长比决定,与电阻成反比。如果受扰线驱动端尺寸加大,其势必具有更强的能力使受扰线原始信号保持稳定,即减小串扰噪声影响;(2)干扰线输入信号的频率与边沿翻转速率:干扰线输入信号的频率越高,受扰线上的串扰幅度越大,更容易在受扰线上引起抖动。另外,在数字电路中,除了信号频率对串扰的影响外,信号的边沿翻转速率对串扰的影响也很大,边沿变化越快,其电压或电流的变化率就越大,串扰也就越大;(3)耦合位置:耦合点距离驱动端与接收端的距离可以影响串扰噪声。接近驱动端,效果不明显;如果靠近接收端,会增加串扰噪声;(4)平行长度与线间距:串扰电压的大小与两线的间距成反比,而与两线的平行长度成正比。增大连线间距会减小耦合电容C,有利于串扰噪声的缓解;(5)地平面对串扰的影响:传输线与地平面的距离,即传输线与地平面之间的电介质厚度对串扰的影响很大。介质厚度越大,串扰越大;反之,介质厚度减小时,串扰明显减小。
2 预防串扰噪声的方法
串扰问题在设计过程的早期是难发现易处理,而在设计过程的后期由于可供修改的物理空间变小而变得易发现难处理。所以要解决串扰对芯片的影响,首先应当想办法防止串扰,针对影响串扰的主要因素,使用以下方法有助于在设计的早期预防串扰。
首先在电路综合阶段,应在静态时序分析时给路径上的和的余量尽量留的大一些,这样一来这些路径上由于串扰的影响而导致的时序错误出现的可能性就小一些。
在布局布线阶段,应该注意以下问题:合理的平面规划(floorplan)和布局可以降低所产生的信号串扰发生,并可以在串扰发生时容易修复。因为当信号线之间的距离很接近时,易发生串扰。这意味着走线密度高的区域通常较易发生串扰问题,为了降低整个设计的拥挤程度,就需要在前期对线网以及电路模块进行更仔细的平面规划。比如:如果按照比较规则的方式来设置电源/地网络,就会浪费很多布线资源而造成拥塞,因此有必要按照设计的实际情况,对于布线密度较大的区域定制自己的电源/地网络。
要对时钟树网络进行优化。串扰产生在信号的转变过程中,而时钟信号的翻转概率最高,所以合理的设计时钟网络可以有效地预防串扰的产生。时钟网络及其他高扇出网络包含许多级逻辑电路,时钟树网络中的每一个接收器都可能引起一个小的串扰增量,这些由时钟源至目的地的延迟之和(即总增量)足可以引起一个很大的定时扰乱。所以在时钟树综合约束中,将时钟布线设置为特殊布线:布线间隔增加1倍或2倍,并且限制在拥挤程度不高的顶部金属层内。另外,采用地线来屏蔽时钟网络布线,即加入屏蔽金属层,以使金属线之间的耦合电容变成对地的耦合电容,但此方法的缺点是时钟等待时间会因接地电容增大而增加。对于时钟树及其他高扇出网络以外的网线,以上方法会浪费掉昂贵的布线资源。有一种代价不大的方法,就是在时钟综合阶段使用高驱动单元,可降低串扰量,减少时钟树和复位树上的受害网络,减少时钟树的插入延迟也意味着沿启动时钟和捕获时钟路径上累加的递增串扰增量更少。
增强受扰网络对串扰的免疫力。在串扰噪声干扰具有极强破坏性的异步网络上,应尽量使用高驱动单元。在复位网络的结构中使用高驱动单元可提高潜在干扰网络的门限,从而降低受扰网络的受扰程度和数量。
对某130 nm工艺的数字电路布线后的版图做信号完整性分析,得到表1显示的结果,有串扰问题的网络是259条;如果采用对时钟信号等高频网络设置特殊布线,增大布线间距的方法,问题网络总数降到77条;如果采用调整驱动,减小扇出的方法,问题网络总数降到128条。可见,合理的预防方式能够较大幅度降低串扰的发生机率,减轻修复信号完整性问题的负担,并且增大布线间距的方法一般更为有效,但是会浪费掉宝贵的布线资源,所以在实际设计中,只对时钟和复位信号使用。
3 同步开关噪声
同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise,SSN)是指当器件处于开关状态产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声。如果是由于封装电感而引起地平面的波动,造成芯片地和系统地不一致,这种现象称为地弹(Ground Bounce)。同样,如果是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异,就称为电源反弹(Power Bounce)。所以,严格地说,同步开关噪声并不完全是电源的问题,它对信号完整性产生的影响最主要表现为地/电源反弹现象。SSN通常很难进行量化。因为它非常依赖于系统的物理结构,其基本原理可以用下面这个公式来表示。
式中,VSSN为同步开关噪声,N是同时开关的驱动器的数量,Llot是电流流过的路径上的等效电感,I是每个驱动端的电流。当大量的信号同时发生开关输出的时候,那么就会引入一个噪声电压VSSN,接着这个噪声电压就会在驱动器的输出端体现出来。
超深亚微米工艺下,IO供电电压从3.3 V降低到2.5 V或1.8 V,噪声容限也随之降低,SSN的影响就变得越发不能忽视。SSN是一种难以捉摸其特性的噪声,并没有很多方法可以快速地对它的值进行评估。只有对封装和电源分配系统进行仔细的检查和详细的仿真才能得出一个较为合理结果。即便是通过各种尝试来对这个噪声做一个精确的特性分析,几乎都不可能得到一个精确的答案,因为影响SSN的因素实在是太多了,而对于这种噪声的抑制,也只能遵循一些规则,从减小等效电感和电流变化率2个主要方向着手。
在芯片版图设计中,可以采取下面的一些措施来减小SSN的影响:
(1)如果可能的话,对关键信号(如选通信号和时钟)采用差分形式的驱动和接收端电路。差分输出是由一对总是具有反相位的信号构成(奇模)。差分接收简单地说就是一种在2个信号的交叉处触发的电路;(2)尽可能增大片上电容。这样就提供了一个电荷储水池且没有电感分隔如果电容足够大,就可以看成是一个电池,能及时对瞬态的电流进行补偿;(3)合理对IO管脚进行分配,减少2组电地之间的10个数,增强信号和电源,地管脚之间的耦合。最大化电源和地管脚的数量。将电源和地管脚相邻放置在一起,由于在电源和地管脚之间通过的电流是反相的,这样总电感就可以由于互感而减小;(4)降低信号的边沿速率;(5)将IP内核逻辑电路和外部IO的电源供给分开,这样可以降低SSN耦合到内核的可能性;(6)尽可能减小耦合电感,使用宽而短的电源线。
图2是某电路的同一个端口的2条噪声电压曲线对比。实线表示使用预防SSN措施后的波形,虚线表示未使用的波形,可以看出,使用预防措施后,能明显抑制噪声电压,改善电路性能。
4 结束语
针对超深亚微米工艺下严重影响信号完整性的串扰噪声和同步开关噪声,分析了噪声产生的原理和影响噪声强度的主要因素,并对使用预防或抑制噪声方法前后的设计结果做了比较。在实际芯片设计中对串扰噪声和同步开关噪声难以精确分析,在设计后期因为面积和布线资源紧张,又难以修正,该文总结的预防方法,能够在设计初期对这2类噪声进行有效的抑制,从而降低分析难度,缩短设计周期。
摘要：随着工艺特征尺寸的不断缩小,芯片的信号完整性问题逐渐恶化。根据超深亚微米(ultra-deep submicron,UDSM)工艺特性,阐述了串扰噪声和同步开关噪声(Simultaneous Switch Noise,SSN)的产生机理以及对芯片信号完整性的影响,并且分析了走线密度、时钟频率和供电布局等与这2类噪声强度相关的主要因素,进而得出了在集成电路版图设计早期,有效预防和抑制信号完整性问题的一系列方法。
关键词：超深亚微米,串扰噪声,同步开关噪声,预防
参考文献
[1]陈春章,艾霞,王国雄.数字集成电路物理设计[M].北京:科学出版社,2008.
[2]ZHANGT,SAPATNEKAR S.Simultaneous shield and bufferinsertionfor grosstalk noise reductionin Global routing.IEEETrans On VLSI Systems,2007,15(6):624-636.
[3]贾烨境高速数字设计中的串扰研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.
灯盏花素口服亚微乳剂的制备研究 篇5
【关键词】 灯盏花素；口服；亚微乳；制备
Study on Preparation and Quality Standary of Scutellarin Submicron Emulsion
LI Hai-gang,ZHOU Yu-bin,YUAN Zhong-wen, HU Bo, YANG Yan,YE Xiao-ling,CHEN Jie-kai,WU Li-yuan,CAI Jing-pin,LU Xu-fan,OU Ru-jing,ZHANG Yi
(Guangzhou University of Chinese Medicine,Guangzhou,510006,Guangdong,China)
【Abstract】 OBJECTIVE To prepare Scutellarin submicron emulsion. METHOD We use pseudo three yuan phase diagram method as well as the appearance of emulsion to optimize the composition of the compound emulsifier. Orthogonal test was applied to ascertain the best prescription and preparation technology. RESULTS Scutellarin submicron emulsion was prepared by the mechanical method. The preparation is stable ivory liquid. CONCLUSION The particle size of the prepared Scutellarin. fits the standard size of the submicron emulsion
【Keywords】 Scutellarin; Oral;Submicron Emulsion; Preparation
灯盏花素具有抗心肌缺血、抗高血压、抗心律失常、抗心力衰竭等作用，临床上主要用于治疗脑血栓、脑梗塞、中风后瘫痪、冠心病、心绞痛等疾病的治疗[1]。但是灯盏花素中主要成分灯盏乙素水溶性差[2],灯盏花素口服生物利用度低，影响其临床上的使用。本文的研究目的在于把灯盏花素制备成亚微乳剂，改善其口服生物利用度。
1 仪器与试药
1.1 仪器
AH100D均质机（ATS Engineering Inc）、动态光散射雷射粒径分析仪（ZETASIZER 1000 HSA）、超声波细胞粉碎仪(AUTO SCIENCE UH-500A)电热恒温水浴锅（上海医疗器械五厂）、旋转蒸发仪（上海医械专机厂 ZFQ85A）、台式离心机（上海安亭科学仪器厂 80-2B）。
1.2 试药
灯盏花素，磷脂（上海东尚）（天然豆磷脂，pc≥95%），吐温-80，F68，EL-40，蓖麻油聚氧乙烯醚，其他试剂均为分析纯。
2 方法与结果
2.1 灯盏花素乳剂的制备
精密称取取0.016g灯盏花素、0.16g磷脂，量取2ml中链甘油三酸酯，量取20ml无水乙醇溶解，减压旋蒸除去乙醇，加入0.02g油酸，制得油相。精密称取定量的乳化剂，量取20ml蒸馏水，超声溶解，制得水相。将水相与油相混合，略微搅拌，使用超声波细胞粉碎仪以间隔时间2s、脉冲宽度2s、振幅40%冰浴超声10min，即得灯盏花素乳剂。
2.2 伪三相图法优化乳化剂种类
将水相中复合乳化剂的总用量固定为1.4g，改变其中乳化剂、助乳化剂的用量及比例，油相不变，制得乳剂。其中乳化剂种类有吐温-80、F68、EL-40，助乳化剂种类有丙三醇、1，2-丙二醇。以两种乳化剂、一种助乳化剂组合，依照预实验所得乳剂制备方法，考察不同配比制备灯盏花素乳剂的质量。
将制得的不同配比用量的乳剂用离心机3000r/min离心10min，取出，以是否有药物析出沉淀，乳剂是否分层作为考察指标，利用伪三相图法进行处方分析，以既没有分层，也没有析出沉淀作为伪三相图的一个点,绘制伪三相图。
2.3 從伪三元相图筛选出复合乳化剂的较优组合
分析伪三项图、比较点的数目、点所包含的区域大小得出以吐温-80、EL-40、1，2-丙二醇制得复合乳化剂的适用区域最大，可行点数最多，视为稳定性最优，因此以吐温-80、EL-40、1，2-丙二醇作为处方中的乳化剂。
2.4 正交实验设计优化处方
以油相的用量、水相中乳化剂的用量、EL-40、吐温-80、1,2-丙二醇的比例，油酸用量四个因素，设计表1的三个水平，以稳定常数Ke为指标设计正交实验，数据分析得表2，根据方差分析，得出最优处方为1ml油相、0.2167g EL-40、0.6500g吐温-80、0.4333g 1,2-丙二醇、0.02g油酸，因为4ml油相处方出现药物析出，所以将油相用量视作误差项，重新制备1ml、2ml油相样品3500r/min离心10分钟作质量检查以及留样观察。两个样品无明显差异，Ke值差异小于10%，因此以2ml油相、0.2167g EL-40、0.6500g吐温-80、0.4333g 1,2-丙二醇、0.02g油酸作为最终处方。
2.5 正交实验结果
经过伪三元相图法筛选和正交实验筛选，得出灯盏乙素乳剂的最佳处方组成为：
油相:中链甘油三酸酯 2ml 磷脂0.1600g 灯盏花素0.0160g 油酸0.0200g
水相:EL-40 0.2167g 吐温-80 0.6500g 1,2-丙二醇 0.4333g 纯水 20ml
3 讨论
本实验采用机械法制备所得的灯盏花素乳剂为性状稳定的乳白色液体，制备的乳剂粒径符合亚微乳剂的标准。把灯盏花素制备成乳剂有助于提高其口服生物利用度。其具体的生物利用度提高程度有待进一步考察。
参考文献
[1] 沈倩,李秀琴. 灯盏花素生物有效性探讨[J].首都医药，2006（24）.
[2] 张海燕(Zhang HY)，平其能(Ping QN)，郭健新(Guo JX)，等. 灯盏花素及其环糊精包合物在大鼠体内的药代动力学[J].药学学报 (Acta Pharm Sin)，2005，40(6)：563-567.
作者简介：
深亚微米 篇6
关键词：去耦电容,电源电压降,电源噪声,电源网格
(一) 去耦电容减小电源噪声的原理
在集成电路中, 由于互连线电阻的存在, 流过电源网络的电流会造成电源压降 (IR Drop) 。电压降的大小取决于从供电管脚到逻辑单元之间电源线上的等效阻抗以及流经电源线的电流的大小。图1示意在供电管脚和电路负载之间的电源网络中插入去耦电容, 使其成为局部吸附电荷的电荷井, 分流了部分电流。电流减小了, IR Drop效应也相应减小。去耦电容不但能吸附电荷, 而且当该区域的电源电压降低到了影响电路功能的程度时, 去耦电容还能够释放电荷, 部分地抵消电压降低对逻辑单元的影响。也就是说:在电源网格中的去耦电容是一个电荷的蓄水池。同时, 对于给高频动态电路供电的电源网格系统, 去耦电容还能减小该电源线上的阻抗。
庞大的芯片电源供电网络是芯片最大的噪声源之一。因为电源压降不但破坏动态信号的传输斜率——使之变得更差;还会造成电路的时序延迟和逻辑错误。电源噪声的大小与最大的电流改变率∂i∂t成正比。动态电路中, 时钟频率越快, 则电流的改变率越大, 导致电源网络上的噪声也加大。在IC设计中, VSDG用于计算最大电流变化率和动态电源压降, 将分析结果反馈给SOC-Encounter, 对decap的大小、位置进行优化。
(二) SOC-Encounter基于设计规则的去耦电容插入法
SOC-Encounter内置的基于设计规则的去耦电容插入法是整个decap优化流程的第一步。这种方法主要是在转换频率高的门电路附近区域的电源网络上插入去耦电容, 例如时钟和总线信号的门电路周围。而这里的转换频率高的信号是由工程师由文本文件描述定义的。SOC-Encounter还能对电源压降进行简化模型地分析, 生成电源压降分布图。基于设计规则decap插入法还可以基于这种简化分析的结果在高电流密度的区域补充decap。
(三) SOC-Encounter基于VSDG ECO文件的去耦电容插入法
SOC-Encounter基于ECO文件的decap插入法不是用Encounter内置的简化分析, 而是由动态电源电压和功耗分析工具VSDG来进行电压降的分析。因为VSDG采用更准确的标准单元功耗库, 在分析电源压降的效应时会结合VCD等描述芯片在一定时间内功能变化的文件来进行动态下IR Drop的分析, 从而得出芯片中哪些区域电源网络上的电流改变率过大、电源压降太严重, 以生成相应的ECO文件反馈给SOC-Encounter。ECO文件将给出decap的大小和插入的具体坐标, 从而指导SOC-Encounter在该区域放置decap电容。
动态分析的优点就是能够准确计算出芯片在特定转换频率高的模式下IR Drop尖峰值的大小, 相比静态分析IR Drop的平均值来说, 动态分析结果是更准确的。基于动态电源压降的decap的优化能减小IR Drop尖峰值对功能和时序的影响。下面详细说明VSDG如何生成ECO文件, 并结合SOC-Encounter进行优化的具体流程。
1. 自动的decap优化
VSDG的自动decap优化基于“dr” (decap require) 原理。VSDG把整个芯片划分为若干小的窗口, 逐个在每个小窗口中进行分析, 然后将所有的优化要求汇总到一个的ECO文件中。VSDG生成的ECO文件必须包含以下两种命令:
(1) addDeCapCellCandidates
(2) addDeCap–totCap
VSDG与SOC-Encounter相结合的自动的decap优化的具体步骤为:
步骤一:在SOC-Encounter中用命令删除所有的不含电容的core-filler cell来为decap的插入留出位置。除了删除core-filler外, 还要删除原有的以随机方式插入的并非通过计算得出的, 作用只是用来填补缝隙的decap。但是对于具强制属性的去耦电容, 就是通过设计规则插入法放置的有特定功能的、在时钟信号和总线信号周围的decap cells, 我们不应该删除。SOC-Encounter存出新的DEF文件送给VSDG进行分析。
步骤二:VSDG设置约束电压, 约束电压通常设为95%的标准电源电压, 即:5%是IR Drop的最大值。设置工作模式为“dr”分析模式;设置分析窗口的大小;加载动态时序约束文件 (例如VCD文件) , 然后进行动态的IR Drop的分析, 生成ECO文件。
步骤三:SOC-Encounter用ECO文件自动插入decap cell。存出已插入decap的DEF文件再次送给VSDG进行第二次的动态电压降分析。
步骤四:但是因为VSDG无法对门电路的物理位置进行分析, 因此很有可能在某分析窗口内 (例如:200微米×200微米) , 第一次的ECO文件需要总共12pF的去耦电容, 而由于物理位置的限制, SOC-Encounter只能放入8pF的去耦电容。所以VSDG在第二次分析后会发现该窗口仍超出电压降约束。这时在VSDG中用命令Load State“loadstate VDD_25C_dynamic_1”稍微加大分析窗口的大小 (例如增大到300微米×300微米) , 重新生成第二个步进的ECO文件, 在大窗口 (300微米×300微米) 的其他可利用的位置插入剩余所需的4pF去耦电容。
步骤五:用第二个ECO文件在SOC-Encounter中进行步进式decap插入。
步骤六:插入与分析的迭代, 直到电源压降满足约束。
2.人工干预的手工decap优化
人工干预的手工decap优化也是基于“dr” (decap require) 原理。但是与自动优化相反, 人工干预的优化方式是在布局和时钟树生成完毕后, 首先在core area里插满不含电容的core filler cell。将对应的DEF文件送到stand-alone模式下的VSDG做动态电压降分析。在IR Drop过于严重的地方以人工替换的方式将一般的core filler cell替换成decap cell, 在VSDG里进行“What if”的分析, 看替换是否有效。具体的手动优化步骤为:
步骤一:在SOC-Encounter中删除原有的以随机方式插入的并非通过计算得出的, 作用只是用来填补缝隙的decap。但是仍保留那些通过设计规则插入法放置的, 有特定功能的放在时钟信号、总线信号周围的decap cell。之后在整个core area的所有缝隙内重新插入不带电容的core filler cell。SOC-Encounter存出DEF文件送给VSDG进行分析。
步骤二:VSDG设置约束电压, “dr”模式, 和动态的时序约束 (例如VCD文件) , 然后进行动态的IR Drop的分析。
步骤三:在VSDG中, 在超过电源压降约束范围的电源网格区域采取手工的方式将core filler cell与decap cell进行替换, 再在VSDG中进行“What if”的分析。具体过程为:当步骤二结束后, 开启Vstorm2的界面进入“Exploration Mode”, 并选择“dr”分析。用鼠标选中需要加decap的区域, 在VSDG中用命令“changecell”将该区域中的core filler cell替换成为decap。命令“changecell”的用法为:
(1) changecell original_cell_name new_cell_name
(2) changecell file filename
这种替换是基于人工判断的尝试过程, 是在VSDG中的“虚拟”替换。完成替换后, 仍在VSDG“Exploration Mode”下进行步进式的电源压降的分析来检查这些“虚拟”替换的作用和影响。若仍有部分区域超出电压降约束, 就继续手工的“虚拟”替换和步进式的电源压降的分析, 直到满足约束。
步骤四:将有效的“changecell”的命令写到ECO文件中送给SOC-Encounter做真正物理上的core filler与decap的替换, 写出新的DEF。
步骤五:用VSDG在新的DEF文件的条件下进行全局的动态电源电压将的分析。
3.decap的ECO方法小结
自动decap优化的ECO文件是由VSDG经过分析得出的, 分析准确性高。但是在VSDG和SOC-Encounter两个工具间迭代交互过程的时间相对长, 比较麻烦。而手工替换decap的优化方式分析的准确性相对差一些, 但是因为在VSDG中都是进行虚拟替换, 与SOC-Encounter的数据交互次数比较少, 相对简单。在设计实践中, 我们通常结合使用这两种优化方式:芯片完成布局和时钟树生成后, 在进行第一次的去耦电容的优化时建议采用自动的decap优化流程, 以修复大面积的不满足电源压降约束的区域。随后, 在很小的局部的物理位置, 采用手工替换decap的优化方式, 替换后进行全局分析。
(四) 去耦电容放置优化的流程总结
1. 在芯片完成全局逻辑单元的布局和时钟树的生成, 并在该阶段时序收敛后, 要进行第一步的基于设计规则的decap插入:在时钟信号和总线信号逻辑单元附近的电源网格插入decap。
2. 之后不再使用“传统”的随机物理位置填缝的方式插入decap。而是基于VSDG动态电源压降分析, 自动生成ECO文件的自动decap优化流程。SOC-Encounter将基于生成的ECO文件在芯片全局的电源网格进行decap的优化放置。
3. 完成一次自动的decap优化后, 一般来说, 就不会再有很大面积区域仍超出电源压降约束的现象。如果还有局部的小范围需要进一步进行decap的放置优化, 则可采用手工替换decap的人工干预优化法。通常一到两次的手工替换就可以满足全局的IR Drop收敛。
(五) SOC设计实例中的去耦电容优化结果
在这个90nm SOC芯片的设计实例中, 典型情况下标准电源电压是1.2V。第一步:以基于设计规则方式在时钟信号和总线信号附近插入强制属性的decap电容。经过VSDG分析, 此时电源压降最严重的的地方的电压为1.163V, 有3.08%的IR Drop。第二步:采用一轮自动的decap插入方式进行优化后, 电源压降最严重的地方电源电压上升到1.175V。第三步:再进行一次人工干预的手工decap优化插入。完成后, 电源压降最严重的地方的电压是1.178V, 只有1.83%的IR Drop。需要补充说明的是:以设计经验来说, 小于5%的IR Drop的效应都是可以接受的, 一般不会造成时序延迟和功能错误。这个设计实例在自动和人工decap优化前就满足电源压降约束。我们仍进一步进行去耦电容优化插入的主要目的是:研究在VSDG动态电源压降分析的辅助下, VSDG和SOC-Encounter相结合的去耦电容优化放置的具体流程。
(六) 结语
在深亚微米、超深亚微米工艺条件下, 随着电源电压的按比例降低, IR Drop对电路时序和功能的影响日益严重。同时, 随着时钟频率的不断加快, 除了静态的IR Drop分析之外, 我们更需要能够反映芯片在一定工作时间范围内, 在特定工作模式时信号不断翻转变化的动态状态下, 芯片的动态电源压降的分析结果。
VSDG不但提供动态电源压降的分析, 还能结合SOC-Encounter进行去耦电容的优化放置, 实现有效的IR Drop收敛。
参考文献
[1]Mikhail Popovich, and Eby G.Friedman, “Nanoscale On-Chip Decoupling Capacitors”, IEEE International SOC Conference, SOCC, Page (s) :51-54, 2008, 2008IEEE International SOC Conference, SOCC.
[2]M.Popovich and E.G.Friedman“, Impedance Characteristics of Decoupling Capacitors in Multi-Power Distribution Systems”, Proceedings of the IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, Page (s) :160-163, December2004.
微米抢跑的动力 篇7
微米, 不是小米, 和一直想涉足电动汽车的雷军也没有关系, 它是浙江立通新能源汽车有限公司 (下称立通新能源) 旗下一个实实在在的微型电动汽车品牌, 而微米E28则是该品牌首款车型。
微米电动汽车的问世虽说时间不长, 但发展势头迅猛。与现在市场上的同类同级车型相比, 微米E28以其现代感强烈的时尚外观设计先声夺人。当然, 除了外观, 微米在内饰空间设计, 以及配置等多方面也独树一帜。
设计意识超前
微米E28采用龙骨式承载车身骨架工艺, 整车受力点集中在底盘和车身骨架上, 减小驾驶伤害的可能性, 达到传统汽车碰撞安全标准。新车有多款配置, 豪华版车型搭载锂离子电池, 设计车速为45~80km/h, 续航里程120~150km。另外, 微米电动汽车搭载了立通新能源自主研发的充电禁行技术, 能有效杜绝电动汽车处于充电状态时的误操作启动。无钥匙启动、倒车雷达、高位制动灯、防盗警报器等丰富安全功能配置也给新车增加了不少亮点。
谈及微米E28的设计, 立通新能源总经理于波介绍说该车在设计之初经过详细的市场调研, 最终定为两门三座车型, 使用方便且性价比高, 能满足一般家庭的出行需求。基于该款车型平台, 未来还将衍生出两门两座和四门四座车型。“我们主打产品价格在2.5万至3.5万元, 这个价格区间的产品是市场销售占比最大的, 微米电动汽车的定位就在于做高性价比的精品车。”
据了解, 立通新能源与意大利汽车专业设计机构、法国车载电子设备检测机构、上海同济汽车设计研究院及上海燃料电池汽车动力系统有限公司合作, 在引进消化了欧美发达国家同类产品的基础上进行二次优化开发, 重点围绕产品外观、电池应用、车身底盘轻量化、电机控制技术、车载电子检测技术等方面, 目前已申报25项国家外观及技术应用专利, 使微米品牌微型电动车拥有完全的自主知识产权, 旨在打造产品核心竞争力, 提升产品性能和安全性。
研发制造领先
制造环节, 立通新能源投入巨资打造的微型电动汽车专业生产流水线, 是目前国内单线工位最长、自动化程度最高的微型电动汽车专业生产流水线。拥有车架焊装、涂装、模具制造、总装四大现代化工艺车间及零部件检测中心。微米电动汽车一期规厂房建设总投资10亿元, 厂区按国际微型电动汽车标准进行总体规划, 项目一期占地7.6万平方米, 建筑面积5万平方米, 目前一期厂区已全部投入使用。
在推出微米E28之后不久, 立通新能源已经开始着手研发新车型。《时代汽车》杂志获悉, 为打造最极致的低速电动汽车标杆车型, 立通新能源汽车有限公司董事长卓建立、总经理于波、技术中心副总工程师张世英等相关领导日前共同前往我国创企最早、规模最大的汽车设计工程公司——上海同捷科技股份有限公司, 就微米E“X”的研发事宜, 携手同捷总裁雷雨成、副总裁邓建国、研发中心副主任贾洪成等相关技术人员进行商洽。
微米E“X”在结构设计、生产方式以及新材料的选用上, 都进行了最专业细致的研发。新车车型将采用深受消费者喜爱的四座车型, 铝合金的新材料选择也将使微米E“X”变得更加轻量、便捷;在生产方式上, 微米E“X”将采用模块化的生产模式, 为日后微米E“X”生产效能的大幅提升奠定基础
随着我国消费者在汽车消费方面的意识转变, 微型电动汽车的购车群体年龄层也随之出现下降趋势。立通新能源在产品设计研发中定位面向年轻化的30岁年龄层购车群体, 兼顾中老年顾客的购车需求, 还将细分产品, 以颜色相对保守、车价更加低廉的车型来满足中老年代步工具的要求。据了解, 目前微米的销售网点在国内辐射城市达到120个, 而微米2015年的产销目标是1.5万辆。
中国汽车工程学会理事长付于武在今年1月14日举办的“中国电动汽车百人会论坛”专场论坛中指出, 从民生的需求和节能减排上看, 发展低速电动车是实现我国13亿出行机动化必由之路, 特别是小城市, 特别是城乡结合部和广大的农村。
低速电动车的专题研究小组经过调型, 已在2014年10月形成了关于低速纯电动四轮机动车的政策建议, 并通过国务院发展研究中心将报告递交到相关部委和国家的相关领导。
包括微型电动汽车在内的低速电动汽车行业未来的发展将逐步由市场自发型转向有管理有规范的发展。显然, 立能新能源能否让微米在设计研发、生产制造, 以及市场销售方面的优势持续保持, 是其发展的关键。
》》》背景阅读
我国低速电动车发展现状
近年来三四线城市和城乡交界处悄然兴起, 以山东、在江苏为代表的低速电动汽车发展迅速, 呈现快速发展之势, 企业数量据不完全统计上规模的企业已超过一百家, 生产企业数量逐年增加, 产业集聚, 企业主要集中在江苏、浙江、广东、山东、河南等二三线城市;用户群体集中在三四线城市和城乡结合部;典型产品, 外扩尺寸较小, 一般小于A0级车, 通常的乘员四人以下;用12千瓦时铅酸电池;最好里程55公里;百公里耗电10~15度, 每公里8分钱;产量情况, 产销规模逐年增大, 以山东为例, 已从2009年的年产1.6万辆快速增长到2013年12.1万辆, 2014年1到11月份的产销量已经达到15.5万辆, 同比增长50.04%;目前没有全国性的统计口径, 预测目前全国年产量约40万辆。快速发展的原因就是市场有需求, 这是一个典型的市场拉动型的产业, 适应快捷低成本的体验是快速发展主要原因。 (中国汽车工程学会理事长付于武)
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深亚微米 篇8
技术特点
密度6.0g/cm3, 硬度≥92HRA, 横向断裂强度≥2000Mpa, 断裂韧性7~11MNm-3/2, 热膨胀系数9.0×10-6K-1, 热导率10W/ (m·K) 。
市场预测
目前, 我国刀具市场的容量约为20亿人民币。在日本, Ti (C, N) 基金属陶瓷占可转位刀片市场的30%, 在欧洲约占10%以上。随着我国汽车等机械制造业的发展及高速切削技术和干切削技术的推广, Ti (C, N) 基金属陶瓷刀具在我国刀具市场的占有率会逐年上升, 并由于亚微米和纳米复合金属陶瓷刀具材料具有许多优异的性能, 因此, 在机械制造业领域有重要的应用前景。
单位:华中科技大学
地址:湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
微米级PVP纤维的制备和表征 篇9
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
聚乙烯吡咯烷酮(PVP,K-30,重均分子量5.8×104),国药集团有限公司;无水乙醇(分析纯,99.7%),上海中试化工总公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF,分析纯),南京海之蓝化工有限公司;5mL规格注射器(直径1.6mm的针头),上海玻利鸽工贸有限公司;高压电源(0~50kV),东文高压电源有限公司;用场发射扫描电子显微镜(FESEM,Sirion200型,荷兰FEI公司)对纤维的形貌和尺寸进行观察分析。
1.2 实验方法
以PVP为溶质,按一定的质量比,将其和不同溶剂混合配置成不同浓度的纺丝液,通过磁力搅拌大约10h从而使PVP完全溶解。静置约0.5h,消除气泡,在相同的温度(23℃)和固化距离(15cm)下,将制成的纺丝液加入到注射器内,接通高压电源进行实验。
2 结果与讨论
2.1 PVP纺丝液浓度的影响
将PVP和无水乙醇按一定质量比混合,纺丝电压保持在23kV,通过对PVP纺丝液的浓度进行调配,随着PVP纺丝液浓度的改变可以明显地观察到静电纺丝效果的差异。浓度对纺丝效果的影响见表1,不同浓度条件下微米级PVP纤维的SEM图见图1。
[(a)25%;(b)30%;(c)40%;(d)45%]
当PVP溶液的浓度低于25%(wt,质量分数,下同)时,基本上,纺丝液都以液滴形式喷出,并未产生可见的纤维;在浓度为2%时[见图1(a)],纺丝效果的理想程度也较差,得到含有大量串珠的纤维。由于溶液黏度和溶液的浓度成正相关关系,因此较低的溶液浓度使得溶液黏度也较低,从而导致链之间的缠结不充分,因此射流出现不稳定的现象,进而容易得到直径分布不均的珠状纤维[10]。在射流过程中,由于静电斥力的存在,会导致其破裂而雾化形成液滴,即所得纤维中有珠节形成的主要原因。另外,溶液浓度低则溶剂的比重大,从而挥发不完全,这也是产生串珠较多的原因之一[11];当浓度增大到30%时[图1(b)],串珠仍有存在但已经有所减少,且逐渐拉伸变长,纤维尺寸大小分布不均,这是由于随着溶液质量浓度的增加,静电力与溶液大分子的抱合力逐渐平衡所造成的,这些形貌的变化都表明:随着浓度的增大,静电纺丝所得样品将逐渐纤维化,而且此时纤维较细,平均直径仅0.48μm;增大浓度至40%时[图1(c)],串珠完全消失,直径分布较好,直径增大,平均直径近1.2μm,但表面不够光滑;继续增大至45%时[图1(d)],纤维直径明显增大,平均直径达到1.65μm,分布均匀且表面光滑。说明决定纤维表面形状以及直径分布的关键在于纺丝液的浓度[12]。因此为使纤维形态得以改善,可以通过在可纺的黏度范围内不断对纺丝液的浓度进行调配以此来确定合适的黏度。
2.2 电压的影响
在静电纺丝过程中,其中一个重要参数就是电压[13]。Demir等[14]的研究发现,致使纤维直径增大的根本原因在于电压的增大会进一步导致射流直径增大。将PVP和无水乙醇混合配置成浓度为45%的纺丝液,通过改变纺丝电压的大小考察不同电压下静电纺丝的效果。电压对纺丝效果的影响见表2,不同电压条件下PVP纤维的SEM图见图2。将电压从0kV调节至10kV之间的过程中,针头处的纺丝液一直以液滴的形式射出,并无纤维产生。当电压接近10kV时,在针头处,纺丝液滴底部开始有物质喷出,呈细粉状。在电压逐渐升高的情况下,小液滴也随之减小,直到17kV左右小液滴消失,喷射出的薄雾呈圆锥形态,在近距离观察过程中,有轻微刺眼的感觉,说明通过静电纺丝,已经将PVP溶液纺成纤维,这一现象与Deitzel等[15]的报道相一致。随着电压的进一步升高,针头喷出流体的流量也随之增大,而纤维的直径主要取决于喷出流体的多少和其中的聚合物浓度,据此可以推断:纤维直径将会随电压的升高而增大。
[(a)17kV;(b)19kV;(c)21kV;(d)23kV]
当电压从17kV增至23kV时,静电纺丝所得纤维表面均比较光滑,其直径也随之增大,分布也越来越宽。电压为17kV时,纤维较细,平均直径仅0.41μm;电压为19kV时,纤维直径明显增大,平均直径高达0.96μm;当电压为21kV时,纤维的直径进一步增大,平均直径为1.12μm;当电压为23kV时,纤维的直径迅速增大,平均直径达到1.65μm。因此可以通过对电压进行控制,以此来控制纤维的直径。
2.3 以DMF为溶剂对纺丝效果的影响
虽然无水乙醇是最佳溶剂,但不排除分子相容性等一些其他因素对纺丝效果的影响,而DMF使PVP溶解的能力强于乙醇[16],故特以DMF为溶剂配置45%的PVP纺丝液,在23kV的电压下进行静电纺丝,所制备PVP纤维的SEM图见图3。
实验过程中,可以发现有少量丝产生并含有少量喷雾,近距离观察有棉絮扑面,轻微刺眼的感觉。通过与以乙醇为溶剂所获得样品[图2(d)]相对比可以发现,采用乙醇为溶剂的样品纤维,其直径比DMF的要粗一些,前者纤维的平均直径为1.65μm,而后者的则只有1.2μm;另一方面,前者较后者具有更加光滑的表面以及更加均匀的直径分布。所以,相比两种溶剂而言,以乙醇为溶剂的PVP纺丝液静电纺丝的效果会更好,这可能是因为乙醇的挥发性强于DMF。
3 结论
(1)随着纺丝液浓度的升高,串珠逐渐消失且纤维直径增大。因此为了使纤维形态得以改善,可以通过在可纺的黏度范围内,不断对纺丝液的浓度进行调配以此来确定合适的黏度。
(2)随着电压的增大,纤维分布逐渐变宽,纤维直径增大。这是由于喷体流量电压的增大而提高,从而使得纤维直径增大。因此可以通过控制电压来控制纤维直径的大小。
深亚微米 篇10
关键词：微米级干雾抑尘装置 输煤系统 应用
燃煤电厂的燃料进厂后，先经过翻卸、给煤机械、皮带多段转运、破碎、筛分、犁煤等各种设备进入原煤仓。在整个输送工艺过程中，伴随着产生一次尘化气流、转段落差、破碎设备鼓风量、落煤管与水平夹角、皮带速度等参数值越高，尘化程度就越大。一次化气流会把<200μm的煤尘扬起，使局部空气尘化而形成尘源，尘源周边的空气被诱导、扰动而形成二次气流。二次气流将一次尘化气流向四周扩散、蔓延，造成二次扬尘。人长期在粉尘污染严重的作业现场，生命健康会受到严重的危害。而且粉尘落到机器部件上，会加速转动部件的磨损。因此，火力发电厂在建设之初根据环保要求必须设计加装除尘装置。
1 输煤系统除尘装置的使用现状
目前，输煤系统除尘技术主要分为干式除尘与湿式除尘两种形式。常用的干式除尘技术主要有静电除尘和布袋除尘。对于已进入进风室的空气可以通过布袋除尘技术降低含尘量，但它只能针对已进入进风室的空气进行除尘，不能将污染空气全部吸进进风室，因而对无组织排放的粉尘空气除尘效果不太明显。静电除尘需严格控制设备安装维护质量，且会过多挤占作业面。因而业界普遍推崇湿式除尘技术。常用的湿式除尘技术有药剂除尘和喷淋除尘。从某种意义上讲，药剂除尘技术是基于喷淋除尘技术延伸出来的，其技术原理是在喷淋设备中加入抑尘药剂，通过对起尘点喷水起到加湿的作用，从而抑止粉尘产生。运用湿式除尘技术抑止无组织排放的粉尘比干式除尘的效果好。但湿式除尘水雾颗粒大，需水量大，冬季不宜使用，而且这种技术很难将细小粉尘彻底清除。
2 微米级干雾抑尘装置的抑尘原理
微米级干雾抑尘装置是利用干雾喷雾器产生的10μm以下的微细水雾颗粒，将细小的粉尘颗粒聚结在一起形成大的粉尘颗粒，在自身重力的牵引下逐渐沉降。细小的粉尘沾水后相互聚结形成大的粉尘颗粒，但极小的粉尘颗粒只有当水滴呈干雾状态，或通过添加表面活性剂使水表面张力缩小时才能相互聚结。若粉尘的粒径比水雾粒径小，则粉尘颗粒与水雾颗粒接触面积小，粉尘便会被水雾颗粒周围的气流推动着运动而不会相互粘结，抑尘效果就无法达到预期标准；若水雾的粒径和粉尘的粒径基本相似，则扬尘时粉尘颗粒在运动中会与水雾颗粒充分接触，很容易在水的作用下相互粘结形成大的粉尘颗粒。由此可见，粉尘聚结的机率是随着水雾颗粒的减小而逐渐增大的，而且聚结的粉尘团越大，其沉落量越大。水雾对粉尘的“过滤”作用就形成了。微米级干雾抑尘装置是将压缩空气为声波震荡器提供驱动力，利用高频声波使水雾化成1-10μm的雾状颗粒。压缩气流通过喷头共振室向粉尘发生点喷射水雾颗粒，使细小的粉尘颗粒聚结成团，靠自身重力沉落，由此达到防尘抑尘的目的。
3 微米级干雾抑尘装置的组成
微米级干雾抑尘装置的组成部分主要有微米级干雾机、螺杆式空气压缩机、配电箱、水气分配器、水气连接管线、储气罐、电伴热带、控制信号线、万向节喷雾器总成组成。
①微米级干雾机：干雾抑尘机由流量控制系统、多功能控制系统和电控系统构成，采用IP55级防护标准。面板上有气、水压力表和电控系统按钮，且设有集成化编程的电控模块实现自动控制。②螺杆式空气压缩机：为干雾抑尘系统提供标准的气源。③储气罐：在空压机排气量达不到微米级干雾机瞬时排量标准的情况下，先将储存从螺杆式空气压缩机排出的压缩空气，为微米级干雾机瞬时用气储备足够的空气。④配电箱：配电箱是整个装置的配电系统，根据用电功率的不同，配电箱略有区别。⑤水气分配器：通过水气分配器实现水、气、电主管线与万向节喷雾器总成的连接，并根据现场情况通过PLC控制实现各万向节喷雾器总成分别喷雾。⑥万向节喷雾器总成：它由喷头、喷头固定座、万向节接头、防护钢管、水、气连接管组成（如图1所示）。喷嘴的周围设置铝合金壳体并配接水气管线构成万向节喷雾器总成。球形铝合金保护壳体可调节喷雾方向，并可防止物料在运输过程中直接撞击喷嘴。⑦水气连接管线：水气连接管线用于微米级干雾机和喷雾器的连接。⑧电伴热带：用于冬季保温防冻（某些场合适用）。本系统如需要冬季防冻措施，各个系统以及所有水管道都可以加装暖板或电伴热带加热，而且可配套安装保温防冻材料。⑨控制信号线：控制信号线用于微米级干雾机的控制系统。
微米级干雾抑尘装置流程：微米级干雾抑尘装置流程图如图2所示，当被抑尘设备作业时，微米级干雾机同步工作，使气、水经过微米级干雾机，进入喷雾器组件实现喷雾。
应用效果及经济效益：微米级干雾抑尘技术的开发和应用可以说是在全国范围内的率先尝试，因而技术的先进性可见一斑。微米级干雾抑尘装置不仅有效降低了气体中的粉尘含量，大大改善了防尘抑尘效果，而且提高了环保行业自动化水平，为现场作业的人员提供了一个安全、洁净的工作环境。实践证明，微米级干雾抑尘装置应用于工业生产，必将产生广泛的社会效益和经济效益。具体来说，该装置的优点主要体现在以下几方面：
第一，降低煤炭损耗：在实测中，微米级干雾抑尘装置的抑尘率高达90%，照此计算，一套输煤系统一年可节省上百万元的经济损失；第二，控制需水量：以往的干湿式抑尘装置需水量大，因而原煤通常含水量较高，而微米级干雾抑尘装置应用在电厂输煤线路上以后，节省了90%的喷水量，也减少了输煤系统水冲洗卫生用水量；第三，降低热值损失：因大量使用中水除尘，煤炭本身的热值损耗严重。据不完全统计，煤炭外水分每增加1%，煤的低位发热量会相应降低1%；第四，减少了清扫闻声和清理沉淀池的劳动强度：原喷水抑尘装置，喷水量过大会造成粘煤、堵煤，而且要定期清理污水沉淀。微米级干雾抑尘装置无需频繁清理粘煤、堵煤和沉淀池积煤，解放了人力、降低了人工费用。第五，省去交纳粉尘超标的罚款：原户外喷水抑尘装置因冬季结冻，无法使用。布袋除尘装置抑尘效果达不到环保部门的要求，极易导致粉尘排放量超标，企业每年要为此上缴罚款。微米级干雾抑尘装置可在冬季恶劣的室外环境下正常使用，为企业节省了一笔不小的开支。
相较于与传统除尘装置来说，微米级干雾抑尘装置的优点显而易见：①直接在起尘点（源头处）进行粉尘治理；②针对10μm以下的可吸入行粉尘，治理效果高达96%；③除尘设备投入少，占地面积小，易安装调试和维修；④全自动控制，操作方便，运行费用低；⑤需水量极少，且煤料热值损失小；⑥不会造成二次污染；⑦冬季冰点以下仍可正常使用；⑧避免矽肺病的危害；⑨雾化效果好，不易造成输煤系统的粘煤和堵煤。
微米级干雾抑尘装置在火电厂输煤系统中的使用，效果明显优于之前的除尘系统，彻底解决了火电厂输煤系统中的粉尘治理难题，改善了工作环境、减轻了工作强度、控制了职业病发病率，实现了环保达标。相对于微米级干雾抑尘装置一次性投入较高，但是相对于高回报的经济效益来说，这样的造价水平是值得的，在火电厂以外的矿山、港口等各个领域也显示出非常好的应用前景。
参考文献：
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深亚微米 篇11
纳米氧化锆可以有效地提高氧化铝基陶瓷刀具材料的力学性能。但是，由于氧化锆对温度十分敏感，作为切削刀具高速切削时，切削温度高，致使氧化锆的相变增韧作用减弱或完全失效，使其力学性能急剧下降。如果在纳米氧化锆增韧氧化铝基刀具材料的基础上添加硬质相，可以利用硬质相对晶界的钉扎作用，提高刀具材料的高温力学性能。另外，硬质相对四方相氧化锆晶粒的稳定性也有两方面的影响，一方面，由于硬质相的弹性模量高于氧化铝基体，随着硬质相的添加，四方相氧化锆晶粒受到的束缚作用加强，从而增强其稳定性，从而抑制氧化锆晶粒的相变，不利于氧化锆晶粒在裂纹扩展的过程中发生马氏体相变，发挥相变增韧作用;另一方面，硬质相与氧化铝存在热胀失配，材料在冷却过程中必将在烧结体中产生残余应力，这对氧化锆晶粒的相变是有利的，可以促进氧化锆相变的发生。有研究表明[1,2]，对于微米氧化锆3Y-TZP陶瓷材料来说，硬质相对相变的促进作用大于抑制作用。
本文拟研究微米硬质相对纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具材料微观结构和力学性能的影响，并与之前研究的添加纳米硬质相时作对比。
1 实验方法
在以前研究优化出添加纳米硬质相Al2O3-3Y-Zr O2-Ti Cn材料体系的基础上，把添加5wt%的纳米Ti C分别换成添加5wt%的微米Ti C、10wt%的微米Ti C和添加5wt%的微米Ti N，分析微米Ti C和Ti N对纳米四方相Zr O2稳定性抑制作用和促进作用的相对大小，以及对陶瓷刀具材料的微观结构和力学性能的影响。表1是陶瓷刀具材料组分配比。在制备陶瓷刀具材料时，采用的烧结压力为30MPa，保温时间为30min，烧结温度分别为1550℃、1600℃、1650℃和1700℃。试片切割成样条，用金刚石砂轮粗磨、精磨，然后经过研磨和抛光等工序制成3430mm标准试样。
2 实验结果
2.1 微米Ti C和微米Ti C对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-Zr O2微观结构的影响
图1是三种材料在其力学性能最好的烧结温度下抛光面的XRD图。这三种陶瓷刀具材料中氧化锆晶粒全部为四方相，说明氧化锆晶粒尺寸较小或者其周围材料对其束缚作用力较大，单斜相和四方相的自由能差不足以克服相变弹性应变能的变化。
图2是三种材料在相应烧结温度下断裂面的SEM图。比较三种材料在相同的烧结温度1600℃下的SEM图发现，基体晶粒大小有明显区别，A5Nm20Z>A5Tm20Z>A10Tm20Z。所以在Al2O3-Zr O2复合材料中添加相同含量的微米Ti C和微米Ti N时，前者对基体晶粒的生长抑制作用更明显;同样，在Al2O3-Zr O2复合材料中添加5wt%的微米Ti C和10wt%的微米Ti C，后者对基体晶粒的生长抑制作用更大。
2.2 微米Ti C和微米Ti C对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-Zr O2力学性能的影响
表2是微米硬质相增韧A20Z材料力学性能。由表2可见A5Tm20Z在烧结的四个温度中，材料力学性能相差不大，在1600℃热压烧结下的综合力学性能最好;比较A5Tm20Z在这四个烧结温度下的断裂韧度与A20Z的断裂韧度可以发现，把纳米Ti C换成微米Ti C之后，材料的断裂韧度并没有明显的提高。A10Tm20Z材料在1700℃下烧结综合力学性能达到最好，抗弯强度785.24MPa，断裂韧度3.81MPa·m1/2，维氏硬度14.61GPa。可以看出，随着复合材料中微米Ti C含量的增大，复合材料实现致密的烧结温度升高，从原来的1600℃上升到1700℃，所以微米Ti C的加入影响了复合材料的烧结性，阻碍了材料的致密。比较A5Tm20Z和A10Tm20Z在各个烧结温度下的断裂韧度发现，加大复合材料中微米Ti C含量之后，材料的断裂韧度并没有明显的提高，反而有稍许的下降[3]。
注：A10Tm20Z在1550℃下烧结的试样粗磨时断裂没有得到力学性能数据
分析图2可知，晶粒的断裂方式并没有明显区别，都为沿晶断裂和穿晶断裂的混合形式，所以不能从晶粒的断裂方式上来解释材料抗弯强度的不同。在1600℃下烧结的A10Tm20Z比A5Tm20Z晶粒细小，但其抗弯强度却比A5Tm20Z的小。一般来讲，如果材料中致密度一样，材料晶粒越小，抗弯强度应该越大，这里材料的抗弯强度值正好相反，说明复合材料的致密度不同，致使烧结体中缺陷尺寸不同，造成A10Tm20Z的晶粒尺寸小于A5Tm20Z，抗弯强度值也小于A5Tm20Z。在相同的烧结工艺下，A5Nm20Z的抗弯强度值大于A5Tm20Z，但后者的晶粒尺寸却小于前者，说明Ti C与Al2O3的晶界结合强度远小于Ti N与Al2O3的结合强度，晶界结合强度的不同造成了A5Nm20Z的晶粒尺寸大的同时抗弯强度值也大。对于相同材料在不同烧结温度下的烧结体，复合材料的致密度和晶粒尺寸决定了其抗弯强度的大小，比较A10Tm20Z在1600℃和1700℃下烧结的材料的抗弯强度发现，前者的晶粒尺寸明显小于后者，但实验结果显示后者的抗弯强度值却比前者高13.2%，所以合理的解释是后者的致密度比前者高，使得后者的抗弯强度值高于前者[4]。
实验结果表明，A5Tm20Z在1600℃下热压烧结的断裂韧度比A5Tn20Z低，其值为3.82MPa·m1/2，比纯氧化铝陶瓷提高不多，分析原因有以下两种可能：
(1)分散在基体材料中的氧化锆晶粒在裂纹扩展的过程中不能发生马氏体相变起到增韧作用。一般，在不添加稳定剂的情况下，四方相氧化锆发生相变的临界尺寸在100nm以上，本实验所用氧化锆原始粉体为80nm，虽然在烧结的过程中晶粒必然长大，但实验中添加3mol%的稳定剂氧化钇，在此实验的特定环境下氧化锆晶粒尺寸有可能没有达到其临界相变尺寸[5]。
(2)同A5Tn20Z一样，复合材料中有相变增韧作用，但A5Tn20Z中纳米Ti C也能通过裂纹的桥连、弯曲和偏转来增韧基体材料，而在A5Tm20Z中把纳米Ti C换成微米Ti C之后，只能依靠纳米Zr O2的增韧作用，所以A5Tm20Z的断裂韧度比A5Tn20Z低。
A10Tm20Z在1700℃下烧结体的材料断裂韧度与A5Tm20Z在1600℃下烧结的材料一样，复合材料中纳米Zr O2的含量一样，前者的复合材料弹性模量更大，对氧化锆晶粒的束缚作用力更大，对相变不利，但是其烧结温度高导致晶粒尺寸大，对相变有利，这两方面的作用相互抵消，使前者的断裂韧度和后者相同[6]。
A5Nm20Z在1600℃下烧结，材料达到最大致密度，力学性能相应的达到最佳值。比较A5Nm20Z与A5Tm20Z、A10Tm20Z在四个烧结温度下的断裂韧度可以发现，其值明显高于后两者。Ti N的弹性模量为400GPa、热胀系数为9.4×10-6℃-1,Ti C的弹性模量为462GPa、7.4×10-6℃-1，显然Ti C对氧化锆晶粒的束缚作用更大。所以复合材料中添加Ti N比添加Ti C更容易使纳米Zr O2发生相变，故A5Nm20Z的断裂韧度比A5Tm20Z和A10Tm20Z高。对比相同烧结工艺下A5Nm20Z和A20Z两种材料的断裂韧度可以发现，两种材料的断裂韧度值差不多。添加的Ti N的弹性模量与基体氧化铝的弹性模量相差不大，所以对氧化锆晶粒的束缚作用相差不大，而Ti N无论是与基体氧化铝还是氧化锆都存在热胀失配，在烧结体中可以引入残余应力，但是实验结果表明两种材料的断裂韧度没有差别，说明硬质相添加产生的残余应力较小，不足以引发氧化锆晶粒的相变。
几种材料的维氏硬度主要与各组分的硬度、材料致密度和晶粒尺寸大小有关，这里添加硬质相对材料的维氏硬度影响较小，可能与其含量较少有关，另外，添加硬质相之后，复合材料的烧结温度明显升高，使晶粒尺寸长大，这也影响了材料的维氏硬度提高。
3 结论
(1)研究了微米Ti C对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-Zr O2-Ti Cm微观结构和力学性能的影响。结果表明，含微米Ti C的陶瓷刀具材料的断裂韧度略有下降，这是因为Ti C的弹性模量较大，抑制了Zr O2的相变增韧作用。
(2)研究了微米Ti N对陶瓷刀具材料Al2O3-3Y-Zr O2-Ti Nm微观结构和力学性能的影响。结果表明，含微米Ti N的陶瓷刀具材料A5Nm20Z在烧结温度为1650℃、烧结压力为30MPa和保温时间为30min时的力学性能最好，抗弯强度、断裂韧度和维氏硬度分别为845.14MPa、4.87MPa·m1/2和16.40GPa。由于微米Ti N的弹性模量小于Ti C，降低了对氧化锆晶粒的束缚作用，致使四方相氧化锆的稳定性降低，从而使刀具材料的断裂韧度提高。
参考文献
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[3]徐芝纶.弹性力学.北京:高等教育出版社,1982.
[4]赵诗奎,许崇海,孝煦.ZrO2-Al2O3-TiC纳微米复合陶瓷模具材料的研究,[J].硅酸盐通报,2009(s1):124-127.
[5]钟金豹.纳米氧化锆增韧氧化铝基陶瓷刀具及切削性能研究,山东大学硕士学位论文,2007.
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