近场通信技术

近场通信技术（精选十篇）

近场通信技术 篇1

关键词：NFC,比较,技术,未来应用

NFC (Near Field Communication) 是一种采用13.56MHz频带的近距离无线通信技术。虽然通信距离仅为10cm左右, 不过和非接触式IC卡技术一样, “只需碰一下”, 便可在不同的电子产品间交换数据。与非接触式IC卡不同, NFC可进行双向通信。只要是支持NFC的产品和IC卡, 就可以读出或写入数据。还可在手机等便携产品间进行通信。数据传输速度不高, 有106kbit/秒、212kbit/秒、424kbit/秒以及848kbit/秒四种速度可供选择

1 NFC技术简介

NFC英文全称Near Field Communication, 近距离无线通信。是由飞利浦公司发起, 由诺基亚、索尼等著名厂商联合主推的一项无线技术。不久前, 由多家公司、大学和用户共同成立了泛欧联盟, 旨在开发NFC的开放式架构, 并推动其在手机中的应用。NFC由非接触式射频识别 (RFID) 及互联互通技术整合演变而来, 在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能, 能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。这项技术最初只是RFID技术和网络技术的简单合并, 现在已经演变成一种短距离无线通信技术, 发展态势相当迅速。与RFID不同的是, NFC具有双向连接和识别的特点, 工作于13.56MHz频率范围, 作用距10厘米左右。NFC芯片装在手机上, 手机就可以实现小额电子支付和读取其他NFC设备或标签的信息。NFC的短距离交互大大简化整个认证识别过程, 使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。通过NFC, 电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷地进行无线连接, 进而实现数据交换和服务。

2 NFC技术与蓝牙红外技术比较

NFC和蓝牙都是短程通信技术, 而且都被集成到移动电话。但NFC不需要复杂的设置程序。NFC也可以简化蓝牙连接。NFC略胜蓝牙的地方在于设置程序较短, 但无法达到低功率蓝牙 (Bluetooth Low Energy) 的速度。在两台NFC设备相互连接的设备识别过程中, 使用NFC来替代人工设置会使创建连接的速度大大加快:少于十分之一秒。NFC的最大数据传输量424kbit/s远小于蓝牙 (2.1Mbit/s) 。虽然NFC在传输速度与距离比不上蓝牙 (小于20cm) , 但相应可以减少不必要的干扰。这让NFC特别适用于设备密集而传输变得困难的时候。相对于蓝牙, NFC兼容于现有的被动射频识别设施。NFC的能量需求更低, 与蓝牙低能协议类似。当NFC在一台无动力的设备 (比如一台关机的手机, 非接触式智能信用卡, 或是智能海报) 上工作时, NFC的能量消耗会要大于低能蓝牙。对于移动电话或是行动消费性电子产品来说, NFC的使用比较方便。NFC的短距离通信特性正是其优点, 由于耗电量低、一次只和一台机器链接, 拥有较高的保密性与安全性, NFC有利于信用卡交易时避免被盗用。NFC的目标并非是取代蓝牙等其他无线技术, 而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。

具体对比如下表:

3 NFC的技术原理

支持NFC的设备可以在主动或被动模式下交换数据。在被动模式下, 启动NFC通信的设备, 也称为NFC发起设备 (主设备) , 在整个通信过程中提供射频场 (RF-field) , 。它可以选择106kbps、212kbps或424kbps其中一种传输速度, 将数据发送到另一台设备。另一台设备称为NFC目标设备 (从设备) , 不必产生射频场, 而使用负载调制 (load modulation) 技术, 即可以相同的速度将数据传回发起设备。此通信机制与基于ISO14443A、MIFARE和Feli Ca的非接触式智能卡兼容, 因此, NFC发起设备在被动模式下, 可以用相同的连接和初始化过程检测非接触式智能卡或NFC目标设备, 并与之建立联系。图为NFC主动通信模式。

4 NFC技术未来的应用

尽管NFC技术还没有达到足够的普及程度, 但在未来几年里NFC技术将在企业、政府部门、学术机构、广告商、零售商和消费者中得到广泛的应用。

⑴NFC在企业中的应用。使用智能手机作为下一代门禁卡的各种机构目前正在对NFC技术进行测试。这是NFC技术在企业中的理想的应用。事实上, 在2011年秋季, 黑莓手机厂商RIM和安全物理门禁卡和读卡器提供商HID Global宣布一些黑莓手机将配置HID Global的i CLASS数字证书。配置NFC技术的黑莓Bold和Curve等型号的智能手机兼容HID Global的i CLASS读卡器。这些读卡器广泛应用于楼宇的物理门禁系统以及用于学生身份读卡器和跟踪员工考勤记录的签到功能和出勤率。员工还可以使用具有NFC功能的智能手机和其它设备进入员工停车场或者咖啡厅以及为这些服务付费。

⑵NFC在政府部门的应用。NFC技术将为政府改善公共服务和提高运输系统提供了数不清的机会。一些城市和农村地区已经使用NFC技术更好地为公民服务和改善生活质量。NFC技术能够让乘坐公交车的人使用移动设备支付车费。开车上班的人能够使用智能手机进入停车场和支付停车费。城市居民能够挥动一下平板电脑就进入游泳池或图书馆等公共设施。旧金山市目前有超过3万个兼容NFC技术的停车计时器。

⑶NFC与零售购物体验。NFC技术还可能通过把无线购物券、会员卡和支付选择结合在一起扩展和提高现代零售商的购物体验。放在产品货架上的NFC标签能够让消费者在使用自己的个性化配置的应用程序扫描这个标签的时候获得更多的有关这个产品的个性化信息。例如, 如果你对坚果过敏, 这个产品扫描会自动检测该产品是否包含坚果并且提醒你。挥动获得信息、挥动增加到购物筐、挥动获得购物券和其它新的使用情况将对零售行业产生越来越大的影响。

⑷NFC与营销。NFC技术将对于现代广告商将产生深远的影响。例如, 拥有NFC手机的用户能够对具有NFC功能的海报、广告、广告牌或者电影海报挥动一下自己的设备就可以马上收集到有关产品或服务的信息。商家可以把NFC标签放在商店门口。这样, 用户可以自动登录人人等社交网络, 或者与好友共享细节或者“赞”。

⑸NFC和设备与设备之间的共享协作。NFC还能作为一项短距离通讯技术在相互接近的设备之间传送文件和其它内容。在共享文件的时候, 这个功能对于企业环境的中的协作是非常好的, 或者对于多玩家游戏也是非常好的。流行的具有NFC功能的三星Galaxy S III手机和其它新的NFC Android手机使用一种名为“Android Beam”的功能通过NFC技术在兼容的设备之间来回发送数据。

总之NFC是一项比较新的技术。但是, 它是一个迅速成长的技术。在未来NFC技术预计将改变人们旅行、购物和相互沟通的方式。

参考文献

[1]Vic shen.“NFC规范与测试”.电子与电脑, 2006, , 10:96-99.

[2]魏金榕, 李天明.”NFC移动支付的“杀手级”增值业务”.世界通信.2006, 7:, 19-20.

[3]蒋华, 孙强.”近距离无线通信技术标准解析”.信息技术与标准化, 2006, 5:26-30.

[4]建山.“近距离无线通信 (NFC) 技术浅述”.数码世界, 2005, 11:16.

[5]周慧芳.“NFC走向现实”.通信世界, 2006, 11:22.

近场通信商用呼之欲出 篇2

近场通信是近距离（10厘米以内）的无线通信技术，射频频率为13.56MHz，数据传输速度可以选择106kbit/s、212kbit/s或424kbit/s。使用NFC进行通信的两个装置，一个应配备NFC读写器，另一个应配备NFC标签。标签是一个集成电路，它载有数据，连接天线，通过读写器进行读写。此外，NFC协议提供了主动和被动两种操作模式。在主动模式中，两个装置产生各自的无线电场进行数据传输。在被动模式中，只有一个装置产生无线电场，而另一个使用加载调制进行数据传输。在后一种情况下，必须由启动装置产生无线电场。

NFC是在RFID技术基础上发展起来的。但NFC与RFID最主要的区别有两点。首先，RFID的工作距离可达数米，NFC为1米以内；第二，从本质上讲RFID是一种标签技术，主要的功能是读取标签上的数据，而NFC则是一种通信技术，强调双向数据传输。

现在，人们普遍看好的NFC应用主要有三类。

第一类是服务启动。可以将NFC作为一种启动技术应用。比如门禁、打开关闭电源。鉴于蓝牙、Wi-Fi连接初始化较为复杂，可以用NFC做引导，简化连接过程。日本已有的一个应用，是在广告中植入NFC标签，手机靠近后，就能读出电子信息和互联网网址。还有一种常被提到的应用是，当两个NFC手机靠近后，可以十分简便地交换电子名片。

第二类是移动支付。NFC已经发展出了智能卡付费方案，使任何启用NFC的装置能够作为付款装置——“电子钱包”。最终，人们希望它能取代今天人们钱包里的各种借记卡、贷记卡、积分卡、预付费卡等等。启用NFC的卡和装置最初可能用于小额付款的情况，如自动贩卖机和停车计费器。

第三类是票务。各种演出票、机票、车票、景点门票等等都可以采用NFC。采用NFC，购票、入场、验票都可以用手机实现。

ABI研究机构的一项研究表明，NFC应用将被普及——首先是应用在手机中，其次应用在各种消费电子装置中，包括PC、机顶盒、照相机和打印机。在不久的将来，可能启用NFC的其他装置和设备还包括：现金出纳机和其他销售端设备、自动柜员机、海报、道路指示牌、公交站和相关地点、自动贩卖机和停车计费器、十字转门、入口系统和开门机、产品包装等。

以手机NFC取代各种卡的时代似乎近在眼前了。

“天价罚单”的警示

在中国，生产推广低劣产品的违纪成本实在太低了！我们缺失的，正是美国那样严格和精细的法律体系。

最近，中华网软件公司在美国遭遇6100万美元天价罚单的事件,引起了国内软件企业和法律界人士的广泛关注。

事情起因是，美国阿拉巴马州一家宠物食品制造商阳光米尔斯公司，在2005年购买了中华网软件公司的测试版罗斯ERP软件，合同金额为23.5万美元。但到2008年，用户认为该项目没有达到厂商宣传的节省成本、提高效率的效果，遂向当地法院起诉，称中华网软件公司存在“引诱性欺诈”。

2010年年底，阿拉巴马州富兰克林县巡回法庭就诉讼案做出一审裁决，判决中华网软件赔偿阳光米尔斯公司6100万美元，其中包括1600万美元的补偿性赔偿和4500万美元的惩罚性赔偿。根据当地法律，中华网软件只有在缴纳7700万美元的保证金后，才能阻止阳光米尔斯收取赔偿金。上个月，中华网软件向阿拉巴马州最高法院提起动议，向法院申请降低其与阳光米尔斯诉讼案的保证金金额。

这是迄今为止中国软件业在海外市场首次遭遇的“天价罚单”，一旦执行，在纳斯达克上市的中华网软件公司就面临直接倒闭的危险！

事情发生后，国内舆论一边倒地认为，这是中国企业走出去后面临的“水土不服”，并提醒中国企业在走出去时要研究国外的相关法律，避免损失。

当然这是一方面。另一方面我们也得反思，我们的产品很完美吗？产品有问题，反赖人家法律严格，这让人不禁想起一则寓言故事：小偷被抓后不怪自己的偷盗行为，反怪警察和相关的法律。

类似的事情在中国却太普遍了，众所周知，ERP在中国实施的成功率非常低。有调查显示，国内企业ERP用户中，实施成功率不足50％。曾有专家提出ERP的“三分论”，即“三分之一能用、三分之一失败、三分之一修改后能用”。那些失败的用户，投入的巨额资金打了水漂，却没有相关的法律支撑，投诉无门，最后往往不了了之。而一些商家在ERP实施失败后，照样逍遥自在，照样不管用户的实际情况，不管产品是不是适合中国国情，继续肆无忌惮地夸大ERP带来的效果，反正不必承担任何法律风险，反正所有的风险都在用户身上。

正因为如此，许多软件厂商将重点放在商业上，而不是研发上；更有甚者，对国内和国外产品采取多重交付标准！

在中国，生产推广低劣产品的违纪成本实在太低了！我们缺失的，正是美国那样严格和精细的法律体系，这才造成了在中国市场上，各种质量低劣、甚至无用的产品到处横行。

天线极化特性的近场测量技术 篇3

研制高性能天线离不开先进的测试、校准技术, 天线测试不仅是最终天线性能指标参数获取的一种手段, 且随着高性能测试仪表的出现, 以及新的测试方法理论的发展, 设计人员可通过天线测量获得更多有价值的信息。这些信息在产品研制过程中对于天线的优化设计, 缩短研制周期起到越来越大的作用。

天线近场测试是诊断、调试和测量天线性能的一种主要测试技术。如何通过近场测量得到圆极化天线的方向图、轴比、倾角、增益等特性信息, 或者得到线极化天线的交叉极化特性是需要考虑的问题[3,4,5,6,7,8,9,10]。

1 天线极化特性的近场测量

在近场测量中, 采样探头一般选择开口矩形波导, 因为该探头形式简单、远场方向图的波束宽度较宽, 且可通过理论计算得到较为精确的远场方向图以便进行探头补偿、具有较好的线极化纯度、频带内驻波小等优点。所以通过线极化的近场测量结果得到天线极化性能是较为便捷的方法。

一般, 任何形式的极化均可分解为两个相互正交的线极化

也可以分解为两个旋转方向相反的圆极化

1.1 由线极化得到椭圆极化

由式 (1) 可知, 电场强度的^x分量和^y分量的瞬时值是

令Ф=Фx-Фy, 在z=0时表达式为

令代入Ey表达式得到

上式即为椭圆极化波的椭圆方程。取一新坐标X轴与长轴OA重合, Y轴与短轴OB重合, 如图1所示, 根据坐标的旋转有

将式 (7) 代入式 (6) 可得

对于XY坐标系而言, 椭圆为标准椭圆, 因此式 (8) 中EXEY项的系数应为零, 可得椭圆的长轴OA与x轴的夹角即倾角τ为

椭圆的轴比

1.2 由线极化得到圆极化

为从两个相互正交的线极化得到两个旋转方向相反的圆极化, 从式 (1) 得到

根据式 (11) 和式 (2) 可得到圆极化

对式 (12) 进行化解得到

因此, 可通过两个相互正交的线极化分量的实部和虚部分别求出左旋圆极化和右旋圆极化的幅相

从得到的两个正交圆极化分量的幅相可得到椭圆极化的参数, 如椭圆极化的长轴和短轴

椭圆极化的轴比

椭圆极化的倾角

而椭圆极化的旋向则可根据主瓣内左旋和右旋圆极化的大小来判断。

2 椭圆极化天线增益的近场测试

天线增益的测量通常采样比较法, 即将待测天线与一已知增益为Gs的标准天线比较而测得的待测天线增益。将测得的标准增益喇叭近场幅、相数据与待测天线的近场幅、相数据分别通过近场处理软件变换到远场波瓣, 求得二者在最大辐射方向的功率差ΔG, 同时待测天线测试时的附加损耗为L, 最后按下式计算待测天线的增益

众所周知, 一个椭圆极化波可视为两正交线极化或两正交圆极化波所组成, 故椭圆极化天线增益有总增益和部分增益之分。所谓总增益系指两正交分量增益之和, 而部分增益系指每一个正交分量的增益。

由极化图的定义, 线极化天线对椭圆极化天线在任意θ方向的场强响应为

由于能量与场强的平方成正比, 因此在θ方向接收的线极化能量为

取任意两个正交测试面, 其与x轴的夹角分别为θ1和θ2, 即θ2=θ1-90°, 则椭圆极化天线正交场各线极化分量对应的能量之和

由于椭圆极化天线接收到的能量是正交场各线极化分量对应的能量之和, 因此可以通过测试任两正交场的线极化能量来得到椭圆极化天线接收到的能量。

由此可以通过探头分别处于水平极化和垂直极化时的两次测量得到待测天线的总增益

Gx和Gy分别是水平分量增益和垂直分量增益。

3 测试实例

利用近场测量系统对天线的极化特性进行测量有两个应用方向, 利用近场测量系统对圆极化天线进行测试;利用近场测量系统对线极化天线的交叉极化进行测试。

对一圆极化天线进行了双极化近场测试, 先计算得到水平和垂直极化的远场方向图, 然后根据前面的计算公式, 分别得到椭圆极化远场方向图、左旋和右旋圆极化远场方向图和轴比方向图等。

对某线极化天线进行实验, 首先天线调平后进行双极化测试, 分别获得第1组主极化和交叉极化远场方向图。然后通过多次旋转探头进行小范围测试找到交叉极化的最小值, 将当前角度设置为初始角度后进行双极化测试, 获得第2组主极化和交叉极化远场方向图。如图8所示, 主极化修正前后基本没有变化, 交叉极化经过机械修正后有了明显的改善。

根据前面的计算公式, 通过计算第1组数据椭圆极化的长轴倾角来修正测试探头和待测天线之间极化偏差可得到第3组修正后的远场方向图。从图9可看到通过探头旋转修正极化偏差和算法修正两种方法的结果对比, 主极化一致, 交叉极化在45°以内吻合的也比较好, 45°以外不一致性稍差, 原因一是远区能量较弱测试误差较大, 二是45°以外因近场的本身特性其测试误差也较大, 所以两者在远区的吻合度要稍差些。通过计算椭圆极化的长轴倾角来修正测试探头和待测天线之间极化偏差的方法, 在工程应用上比机械修正要简单快捷。

4 结束语

本文对天线极化特性的近场测试进行了总结归纳, 结合实际的工程应用, 通过近场测量的双极化测试结果, 可得到椭圆极化天线的远场方向图、主极化和交叉极化的方向图、轴比、倾角、旋向等, 也可对线极化天线的交叉极化偏差等特性进行测量。

参考文献

[1]王蔷, 李国定, 龚克.电磁场理论基础[M].北京:清华大学出版社, 2001.

[2]林昌禄, 宋锡明.圆极化天线[M].北京:人民邮电出版社, 1986.

[3]Toh B Y, Cahill R, Fusco V F.Understanding and measuring circular polarization[J].IEEE Transactions on Education, 2003, 46 (3) :313-318.

[4]田唯人, 李娟妮.任意极化波的传输效率对天线测量的影响[J].雷达科学与技术, 2008, 6 (4) :305-310.

[5]张晓平, 周怀安.一种圆极化天线极化特性的幅度精测方法[J].航天器环境工程, 2009, 26 (1) :67-70.

[6]李南京, 冯引良, 王建飞, 等.利用线极化天线快速测量圆极化天线轴比的方法[J].红外与激光工程, 2013, 42 (8) :2216-2220.

[7]庞峰, 施浒立, 耿建平.星载线极化天线接收椭圆极化波的理论研究[J].杭州电子科技大学学报, 2005, 25 (3) :40-42.

[8]王果宏, 傅原, 冯涛.椭圆极化天线增益的测试方法[J].火控雷达技术, 2009, 38 (2) :39-41.

[9]尚军平, 傅德民, 蒋帅, 等.圆极化天线特性参数测量方法[J].西安电子科技大学学报:自然科学版, 2009, 36 (1) :106-110.

近场通信技术 篇4

关键词：近场光学 显微技术 发展 应用 展望

中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—066—02

1 近场光学显微技术概述

近场光学的作用主要是对束缚在物体表面的非辐射场进行探测。普通光学的分辨率与近场光学的分辨率存在不同。在理论上，由于衍射极限的限制，使得普通光学成像的分辨率低于入射光波长的一半，根据估算大概在200 nm左右。近场光学的分辨率是根据衍射场的非辐射量而得到提高，大概在一个波长以下，其实它的工作原理是将扫描系统的频带拓宽。

近场光学原理在应用中最常见的便是扫描近场光学显微镜，通过对衍射分辨率的突破，然后收集纳米材料表面的光学信息。扫描近场光学显微镜（SNOM）它主要是由探针、信号采集和处理、探针—样品间距反馈控制、X—Y扫描以及图像处理几部份组成。对于SNOM来说，如果要完成超衍射分辨率的工作，必须要能够精确的掌握及控制探针—样品间距。截至目前为止，实现精确控制探针—样品间距主要有激光光点反馈模式和剪切力反馈模式。这两种模式存在主要的区别便是光的问题。激光光点反馈模式是利用激光在探针接近物体表面时产生的光斑来确定探针—样品间距。剪切力反馈模式就是根据样品间的作用力，使得探针针尖在接近物体表面时发生变化，根据这样的原理使得探针控制在z=5nm～20nm的范围之内。运用剪切力反馈模式的原理得出的光学成像更具有真实性。

另外一种以近场光学原理为主的光学显微镜是光子隧道扫描显微镜，这种显微镜具有更高的分辨力，它的工作原理是利用光线探针接近近场光信号，分辨率取决于物体表面上光线点的面积。

2 近场光学显微技术中的问题

2.1 纳米级探针的制作

进场光学显微技术是利用探针收集光场的信息，分辨率取决于探针尖的粗细和探测信息的精细结构。但是如果探针尖端过细，那么就会导致光的灵敏度降低。因此，在制作纳米级探针时，必须要做到具体问题具体分析，必须要解决两个问题：探针削尖化和亚波长孔径的制造。

（1）探针削尖的方法。

通常情况下，在探针削尖的过程中，可以有两种方法：

腐蚀法。这种方法被广泛使用，可以利用HF酸和氨水对光纤芯进行腐蚀进而制作出不同的探针尖，但是这种方法具有高度的重复性。探针的圆锥角是可以改变的，取决于HF酸和氨水的综合比例（1：X），当X由0.5增大到1.5时，针尖的圆锥角由15€霸龃蟮？0€啊5窃擞酶捶ㄖ谱魈秸耄沟霉庀呒獯嬖诿绦纬煞稚⑹降纳⑸渲行摹8莶欢涎芯糠⑾郑壳翱梢栽擞靡恢止庀吮；ぬ锥怨饧饨懈矗佣贸龅奶秸爰獗冉瞎饣？

熔拉法。这种制作方法的原理是利用二氧化碳熔融光纤，在光纤两端作用力使其形成丝状，在用大力迅速将其拉断，这样形成的断面是锥面，也可以用作探针尖。运用这种方法形成的探针尖比较光滑，在相同孔径的情况下，腐蚀法却比熔拉法的传输效率更高。熔拉法可以制作不同种类或形状的针尖，但是相对来说成本高，设备昂贵。

（2）亚波长孔径的制造方法。

纳米光刻法：首先对要制作的光纤尖镀膜，然后对其采用化学方法进行腐蚀，进而使用纳米光刻法制成亚波长孔径。

探针制造法：首先以二氧化碳激光加热单模光纤，利用熔拉法使光纤顶端形成抛物面型的传输铝尖，然后以5%的HF腐蚀探针尖端的细纤丝，这样得到的探针的针尖更适合近场光学探测。

2.2 纳米级样品—探针间距的控制

为了保证近场光学中的超高分辨率，必须要保证探针在探测过程中对样品的探测是无接触扫描探测，这就要求必须要掌控好样品—探针的间距。

在样品—探针间距控制的过程中，剪切力调制是一种最常用的方法。它的工作原理是在亚波长范围内保证探针—样品间距的可靠性和稳定性，这种方法是一种非光学调制法。

剪切力通常是通过光纤头与样品表面的振动频率探测得出的。当探针尖靠近样品时，光纤头的振动幅度是随着样品—探针间距和剪切力发生变化的，以此来测得探针—样品间距的大小。在实际生活中，样品—探针间距是通过压电陶瓷的压电效应测得的。

实际中通常采用压电陶瓷的压电效应测控样品—探针间距。将高频振动压电管分为上下两部分，下半部分以交流电压激励振动；上半部分有两个电极，用于探测压电陶瓷管（DPT）的振幅。由于剪切力对于探测振动的阻碍，DPT内部产生张力；又由于压电效应引起感应电压，将感应电压作为反馈信号，经锁相放大器达到控制样品—探针间距的目的。利用这种方法，可以使得近场光学显微技术更简单化。除了此种方法可以测得样品—探针间距，还可以利用电容传感器、电压—声学法等来测得样品—探针的间距

3 近场光学显微技术的应用

3.1 物理领域的应用

近场光学显微技术是物理领域重要的一部分，并且应用范围极广。

（1）光学可以成像，利用近场光学可以使得成像的分辨率达到纳米量级。

（2）应用近场光学显微技术，可以使得物理领域的光谱学研究更加深入。

由于研究发现的限制性，目前的光谱研究都处在宏观水平，即使利用微区光谱也只能达到微米的程度。但是利用近场光谱仪器，可以实现纳米级的测量，并且能够区分纳米量子线的光发射极多个量子线的发射谱。近场光学显微技术可以在研究纳米晶体、量子点、量子球方面发挥独特而优越的作用。

3.2 生物领域的应用

近场光学显微技术在生物领域的应用也是很广泛的。利用近场光学显微技术的超高分辨率，可以更清晰的测得生物标本中细胞膜和细胞壁的厚度以及它们的内部存在结构，并且还可以测得细胞膜内部与外部结构在不同环境下的不同变化。根据生物技术的发展，国外已经利用PSTM测得纳米生物标本噬苗体细菌图像的椭圆头直径为100 nm，圆柱尾直径为10 nm。这样精确的分辨率是以前的生物领域中不能做到的。

4 近场光学显微技术未来前景展望

近场光学显微技术使得衍射分辨率突破极限，并且促进了纳米光学的发展，而且带动了高密度光储存、检测生物单分子、细胞组织生命探测研究等多个领域的发展。

对于近场光学显微技术未来的前景展望，应进一步研究样品表面离激元产生机理，将更深入近场光学成像技术的创新和应用，包括亚波长和纳米材料的应用。表面等离子晶体的新型纳米光子学器件将得到迅速的发展，表面光波导将会引起科学领域的高度重视。在生命科学领域，TIRFM和SNOM的结合应用会获得高分辨率的生物单分子光学图像。另外，在大规模集成电路当中，利用反射式NSOM，对SRAM芯片进行表现成像来测量电路的线宽，将有非常广泛的应用前景。

对于近场光学显微技术的前景展望有着不可估量的飞跃，也必定会为各个领域的科学研究带来更大的作用。

参考文献：

[1] 王海潼，刘斐.近场光学显微技术[J].应用光学，2005（5）.

[2] 贾正根.光学显微技术探讨[J].光电技术，2001，42（4）：12—18.

近场通信技术 篇5

半导体材料及其光电器件在很多技术应用领域发挥重要的作用。尤其是Ⅲ-Ⅴ族半导体材料, 其禁带宽度和晶格常数可以在一个较大的范围内进行调节, 这为研究者制备激光器和探测器提供了更丰富的材料体系, 为研究和制造各种新型的高性能微电子、光电子器件和集成电路创造了广阔的发展空间, 在相阵控雷达、卫星通信、超高速超低功耗集成电路、便携式移动装置、气体环境监测、化学物品探测、生物医学诊断、药物分析等领域中都有十分重要的应用前景, 已经引起各国科学家的关注。而在光学研究领域中, 材料或器件的光学性质与其尺寸密切相关, 当尺度达到纳米量级时, 材料或器件表现出与远场光学有所区别的性质。光学性质的研究在微观材料的研究里有着独特的地位, 因此对半导体材料的研究和发展而言, 表征和检测技术起着至关重要的作用[1,2,3]。

在某些Ⅲ-Ⅴ族半导体微纳结构中, 光学现象甚至发生在几十纳米的范围内, 这样的距离远远超出了普通光学的分辨率, 用普通光学或远场光学无法进行表征。而近场扫描光学显微镜在探测样品时更具有电子显微镜所不具备的特点, 特别是在探测样品的光学性质时, 具有超高分辨的能力, 不但能够探测到宏观样品精细结构的形貌信息, 而且能够探测具有纳米结构材料的精细结构信息和光学性质。具有超高分辨率和对样品无损伤等优越特性的扫描近场光学显微技术的出现, 有效地解决了以上难题, 该技术应用极其广泛, 渗透到物理、化学及生物等各研究领域, 并可应用于信息领域中[4,5,6]。

1 SNOM简介

扫描近场光学显微镜 (Scanning near field optical microscope, SNOM) 运用近场光学原理, 也叫近场扫描光学显微镜, 不仅具有传统光学显微镜的非接触无损伤性的探测优势, 更由于突破了传统的衍射极限的限制而具有空间的超高分辨率, 它的出现使人们把观察的视野扩展到波长的几十分之一, 即纳米尺度, 人们可以利用它实现空间分辨率达到纳米量级的光学测量和表征。近场光学显微技术充分利用了光学观察的无损伤性和多衬度观察, 在此基础上不仅将光学观察的尺度拓展到亚波长范围, 而且实现了纳米微区的光谱观察, 是继原子力显微镜 (AFM) 和扫描隧道显微镜 (STM) 之后另外一种纳米量级的测量方法, 形成了一门光学、扫描探针显微学和光谱学相结合的新型交叉学科。在近场光存储、半导体材料以及生物物理等交叉学科方面有着广阔的应用前景[7,8,9,10,11,12]。

图1为SNOM的结构示意图。它的成像过程是:激光通过光纤耦合器进入光纤探针, 而光纤探针是固定在压电陶瓷音叉上, 通过外加电压使音叉在其共振频率下平行于样品表面振动。当探针和样品间的距离改变时, 音叉振幅受样品表面力作用发生改变, 从而影响音叉的电压, 用此振幅变化引起的电压的变化就能监控样品与探针的距离。探针沿样品表面扫描的同时, 利用反馈回路使探针与样品表面的距离保持固定, 回馈电信号的大小变化就反映了样品表面的高度变化, 以此得到样品表面的形貌图。在扫描过程中保持探针与样品表面的距离为1~10nm的情况下, 探针针尖发出的激光以近场方式照射样品, 通过显微物镜收集, 并由光电倍增管接收后, 通过数据采集卡输入计算机, 就形成近场光学图像。

2 扫描近场光学显微技术在半导体材料表征领域中的应用

2.1 半导体材料中缺陷的表征及分析

2.1.1 半导体薄膜中缺陷分布的探测及表征

GaN已经被广泛用于如蓝绿发光二极管和蓝光激光器的光电材料结构中, 然而蓝宝石与GaN之间明显的失配导致了材料高密度的穿越位错, 这些器件的电学特性明显与其中的缺陷相关, 这些缺陷决定了发光二极管与激光二极管的稳定性和持久性。纳米级的空间分辨率在定义GaN的缺陷分布时非常重要, 因为其中的穿越位错之间的距离就是纳米级。据相关文献报道[13,14,15], 已经发展了使用纳米级空间分辨率的近场光致发光, 可以测试Si掺杂的GaN薄膜中的缺陷分布, 发现GaN薄膜中的穿越位错不仅作为带边发射的非辐射复合中心, 也作为580nm左右黄光发射的非辐射复合中心;并且, 确定了位于穿越位错附近的空穴载流子密度会有所减少。因此, SNOM-PL在非真空环境下, 在估测半导体薄膜纳米级的缺陷方面具有潜在的应用价值。

2.1.2 量子阱结构中失配位错形成机理的分析研究

InGaAs/GaAs应变异质结在高速激光器和红外光电探测器等器件中起到重要作用。但众所周知, 当两种材料形成一个界面层, 而这层的厚度超过一个临界值时, 就会产生失配位错。因此, 人们尝试了很多方法去计算这个临界值以及理解失配位错的产生机理, Ohizumi等利用SNOM测试不同周期不同In摩尔分数的InGaAs/GaAs多量子阱结构的光致发光谱 (图2) 和形貌图, 以此研究InGaAs/GaAs多量子阱中失配位错形成的机理, 这已被证明是一种有效的手段[16]。

在光致发光图像中, 暗线沿着[110]和[-110]方向出现。通过比较表面形貌图, 可以发现暗线与在InGaAs量子阱中产生非辐射复合中心的失配位错对应。〈110〉方向的暗线密度与总层厚度的函数关系显示存在两个形成失配位错的临界层厚度。这两个不同的临界厚度, 与跟In摩尔分数成比例的晶格摩擦力有很大的关系。

在图3 (周期N=7, In摩尔分数x=0.15) 和图4 (周期N=2, In摩尔分数x=0.15) 中, 可以看到沿着[110]方向和[1-10]方向都出现了暗线。通过观察表面形貌图, 并结合图2 (周期N=4) , 可以发现暗线与引起InGaAs阱中非辐射复合中心的失配位错相对应。表面台阶和相应的暗线都是由导致InGaAs阱产生非辐射复合中心的失配位错引起的。

〈110〉方向的暗线密度与总的层厚度的关系图如图5所示, 垂直的虚线和点线分别为第一临界层厚度和第二临界层厚度 (实曲线为基准线) , 这表明形成失配位错存在两个临界厚度:在第一个临界厚度两个方向都开始产生位错, 然后在第二个临界厚度位错大幅度增加。

如图6所示, 第一和第二临界厚度分别表示为实心圆与方形 (由图5估算得到) 。通过比较摩擦力为常数的模型, 发现GaAs/InGaAs多量子阱结构中存在与In摩尔分数成比例的摩擦力, 分析可知这对失配位错的形成起到了重要作用。

2.1.3 InGaN基光发射器件发射光谱和缺陷位置的关系的分析研究

在蓝宝石和SiC衬底上生长的GaN/InGaN/AlGaN器件, 由于衬底和有源结构之间大的晶格失配而存在很高的缺陷密度。不同的模型有可能引起无效复合中心缺陷, 所以尽管有很高的缺陷密度, 也有可能制造高亮度的InGaN基LED器件。可以利用SNOM检测GaInN/GaN多量子阱在缺陷附近的发射光谱, 以及在缺陷位置周围的发射波长和光强度的变化, 进而分析器件发射光谱和缺陷位置的关系[17,18,19]。

图6 In摩尔分数与临界厚度的关系图 (该模型 (设摩擦力是常数的模型) 值和Tsao等计算出的值分别为实曲线和虚线) Fig.6 The critical thickness as a function of the In mole fraction (the solid and dotted curves are calculated for the present model and the model of Tsao et al., respectively)

2.2 半导体的复合过程研究

2.2.1 单量子阱结构中的复合过程的分析研究

自InxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN异质结生长技术取得突破以来, 最近一直在研发高亮度的蓝光发光二极管。尽管在蓝宝石衬底上生长的GaN外延层的穿越位错密度 (108~1010 cm-2) 很高, 但是现在商业上已可以获得发射光谱范围从紫色 (400nm) 到蓝色 (465nm) 20%左右的外量子效率 (ηext) 。目前为止报道的两种模式可以说明在GaN外延片上存在发射现象。首先是In和Ga的合并可有效禁止与点缺陷相关的非辐射复合中心。其次是由In组分引起的波动导致局部激子效应;在最小势能捕获的激子将会阻碍非辐射复合中心的路径。

最近报道了采用扫描近场光学显微镜在18K下以照明-收集模式研究InxGa1-xN单量子阱光致发光谱的空间分布[20,21,22]。在室温下, 分别在SNOM照明-收集模式和照明模式下对InxGa1-xN/GaN单量子阱结构蓝光发射进行测试, 并分析两种模式下得到的光致发光图, 进而可以确定单量子阱结构中辐射和非辐射复合的动态过程。光致发光寿命和光致发光光谱图的数据显示探测区域可以分成4个不同的区域, 它们的动态过程分别为: (1) 在探测小孔范围内的辐射复合; (2) 小孔范围内的非辐射复合; (3) 从小孔扩散的光激子/载流子导致局部发光; (4) 同 (3) 的过程一样, 但是导致非辐射复合。

2.2.2 InGaN单量子阱的光致发光特性

目前用InGaN多量子阱已经制造了各种发光二极管和激光二极管, 从而引起了人们对这些材料辐射复合本质的推测, 一些光谱和时间分辨的光致发光测试结果符合带间自由载流子的复合, 而其他的测试也已经解释了关于合金波动引起的激子的复合, 而载流子对光学特性的效应是最为明显的。但是没有实验探测到1μm以下的光致发光光谱。

据报道[23,24,25,26,27], 利用SNOM探测InGaN单量子阱的光致发光光谱, 温度在50K到室温之间, 发现亚微米尺度量子阱的光致发光具有空间不均匀性。存在一些由六边形凹面导致的光致发光增加的区域, 其直径可达到500nm左右, 穿透了整个异质结样品。当近场探针穿过光激发的样品, 可以观察到直接透过这些凹面的宽的绿带光致发光, 量子阱光致发光增加的其他区域与凹面的存在无关, 而且样品在100nm尺度内受激的量子阱光致发光峰值与用普通的远场光致发光探测获得的峰值几乎一致, 温度在50K以上没有局部载流子强烈复合的光致发光的信号, 说明载流子在温度高于50K时没有强烈的运动。

2.3 半导体的复合速率及扩散长度的纳米表征

随着器件尺寸的减小, 表面复合在现代光电器件中的作用越来越关键。例如, 众所周知在高功率二极管激光器中, 表面复合增加了镜面的热负荷, 导致热逃逸, 最终限制了器件的寿命。随着微型化的增加, 扩散长度也成为关键因素, 器件区域的确定受表面复合的影响。虽然已经利用了各种不同的技术来确定表面复合速率 (VS) 和扩散长度 (LD) , 但是大部分测试都遇到了空间分辨率不足的难题。为了明确LD, 探测分辨率低于LD的载流子非平衡密度是必不可少的, 特别是1μm量级的直接带间跃迁的Ⅲ/Ⅴ族半导体, 其原因是需要区分由扩散长度的特征长度尺度定义的表面区域和块区域, VS也有以上的要求。基于光致发光技术, 探测非平衡载流子分布和弛豫动力学是一种高效、无损伤的探测方法。但是, 远场PL的空间分辨率普遍大于LD的空间分辨率。而SNOM提供了10nm量级的空间分辨率, 这克服了上述限制, 因此是一种无损且有效的分析半导体器件表面复合速率以及扩散过程的探测手段。Malyarchuk等已经完成了半导体量子阱的VS和LD的纳米测试, 并用SNOM探测了量子阱样品邻近边缘的光致发光谱。比较了量子阱样品边缘扫描的空间分辨的近场PL和二维扩散模型以及由不同激发密度推出的VS和LD。随着激发能的增加, VS明显减小, 这充分表明样品表面附近的非辐射中心已达到饱和[28,29,30]。

2.4 单量子点不同尺寸对不同光致发光谱选择性的分析研究

在高密度条件下 (~5.5×1010 cm-2) 及嵌入势垒层和帽层条件下生长的单量子点的尺寸差异是很难区分的[31,32,33,34], 然而, 利用SNOM来研究InAs/AlGaAs量子点尺寸分布则可以观察到取决于双峰量子点结构的大小及其位置分布的高分辨率光致发光谱, 能够借此得知单量子点双像分布的独立光致发光峰值大小差异的特点[35,36,37]。

3 总结与展望

扫描近场光学显微技术突破衍射极限的超高空间分辨率及其无损性促进了对半导体材料在纳米尺度光学探测与表征的研究。扫描近场光学显微技术在半导体材料表征领域有着无可替代的地位。SNOM与光谱技术相结合则可实现定域光谱、荧光探测以及单原子、分子的探测与识别。由于在网络和通讯领域光子学进一步代替电子学, 表征单个元件和整个光学系统的研究将日益显得更加重要, 而SNOM提供了其他表征技术所无法实现的唯一方法。

由于SNOM的纳米级光学分辨率、极高灵敏度、近场局域光学探测及光谱术、形貌图像与光学成像相关探测及对应关系等特点, 可以预言, 其在半导体材料及其器件探测领域必将扮演其他表征技术所无法实现的重要角色。SNOM的技术应用已体现在许多领域中, 除了基础研究和基本物理理论现象的认识外, 最有应用前景的当属微电子学、光电子学、高密度信息存储与生命科学。SNOM同时具有传统光学显微镜及扫描探针技术的优点, 能对各种微细结构如光栅、光波导、半导体结构以及磁光材料、量子器件、生物样品等成像, 在材料科学、生物学、信息科学等领域具有广阔的应用前景。

摘要：半导体材料及其光电器件如激光器、探测器以及高速微波器件有着广阔的应用前景。半导体材料的结构和缺陷特性对器件性能起着至关重要的影响, 然而对材料进行纳米尺度下的检测、表征无论是理论上还是技术和设备上都需要深入研究和发展, 因此扫描近场光学显微技术在半导体材料表征领域有着无可替代的地位。扫描近场光学显微技术突破了传统光学显微技术的衍射分辨率极限的限制, 具有超高空间分辨率、超高探测灵敏度等特点, 并且是一种非接触性探测, 具有无损伤性。简要介绍了扫描近场光学显微镜的原理及在半导体材料研究中的应用, 包括量子阱结构中的位错及缺陷的表征, 半导体器件的表面复合速率及扩散长度的纳米表征, 以及半导体薄膜中的缺陷分布的检测。探讨了目前相关研究领域存在的主要问题, 并对其发展趋势和前景进行了展望。

异军突起的近场交互 篇6

近场通讯( Near Field Communication,NFC),也叫近场通信,即近距离无线通讯,是一种短距离的高频无线通讯技术,允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(20厘米内)来交换数据。

近场通讯在近几年异军突起,逐渐在移动支付、智能展板、数据传输、门禁考勤等领域得到广泛应用。

乱花渐入:细数手机无线交互

近场通讯是由射频识别(RFID)发展而来的,逐渐在手机上普及,并成为现在近场交互的主流形式。我们先来回顾一下手机上曾经使用过的各种无线交互形式。

1.红外交互(IR)

随着家用电器向智能化方向发展, 很多家电都带有遥控功能,大到电视、 空调,小到电风扇、机顶盒,都配置了遥控器。这么多的遥控器使用起来还真容易混淆和丢失,于是在手机上使用 “万能遥控”软件就有了很大需求。当然,前提是手机支持红外线功能,目前市场主流产品如三星S4、华为荣耀3、小米4、HTCOne等众多品牌和型号都带有红外交互功能。没有该功能的手机可以通过蓝牙转红外、耳机接口转红外、 USB(OTG)接口转红外等硬件模块来实现红外交互。

使用940nm红外发射管和三极耳机插头,可以自己制作手机红外发射器 (如图1)。

2.ANT+

ANT+是ANT传输协议上的超低功耗版本,它是为健康、训练和运动专门开发的,主要用于低功耗无线设备, 广泛应用于各种码表、智能手表、心率计、功率计、速度感应、踏频感应等设备中,使用CR2032电池供电,可以与支持ANT+协议的手机无线连接互动。三星的GalaxyS3、S4,Note3,以及很多索尼的型号,都支持ANT+,Android从4.3版本开始支持ANT+协议。

3.GPS

GPS(Global Positioning System,全球定位系统)是目前非常成熟的定位导航系统,几乎是智能手机的标配,可用于实时导航、定位跟踪、防盗反劫、行驶监控、呼叫指挥、电子围栏、 大地测量等社会生活的各个方面。

4.WIFI

WIFI,也写作Wi-Fi,是一种无线互连技术,可以看作是WLAN(无线局域网)的一个子集。这个名词大家早已耳熟能详,是移动设备无线连接方式中功能最强大的一种,最常用于互联网接入和局域网内数据交换。无线网卡和WLAN支持已经是智能手机的必要组成部分。

通过WIFI,手机不仅能实现数据传输和免流量上网,也能进行多屏互动、远程协助等新型应用。

5.射频识别(RFID)

无线射频 识别技术(R a d i o FrequencyIdentification,RFID)是一种非接触式自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感或电磁耦合)或雷达反射的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。

扫描器发射特定频率的无线电波能量给接收器,用以驱动接收器电路将内部的代码送出,扫描器再接收此代码,实现通讯。接收器的特点在于无需电源、无需接触,因此应用非常广泛,常常做成各种非接触卡和感应卡,如身份证、公交卡、门禁卡、饭卡等非接触式IC卡。商场中衣物上的防盗卡扣,使用的也是RFID。

RFID接收芯片可以内置于手机的SIM卡中(一般使用2.4GHz频段),实现手机功能与RFID功能的集成,通过刷手机实现金融服务、购物消费、乘车服务、身份认证等多种应用。目前国内三大移动运营商均有RFID-SIM一卡通产品(如图2)。

如果把RFID读写功能整合到手机中,就是RFID手机了。但是因为后来居上的NFC的原因,一般都直接整合进NFC功能了。

6.蓝牙(Bluetooth)

蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通信技术,可实现固定设备、移动设备之间的数据交换,使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波。

蓝牙是一种点对点的短距离无线传输,连接时需要配对,在笔记本电脑和手机上的应用非常成熟,蓝牙耳机、 蓝牙音箱、蓝牙键盘也已经很普及。蓝牙与NFC结合,可以弥补配对的麻烦, 实现快速配对和信息传递(如图3)。

7.近场通讯(NFC)

近场通讯(NFC)技术从RFID演变而来(向下兼容RFID),由飞利浦半导体、诺基亚和索尼共同研制开发,其基础就是RFID及互连技术。NFC是一种短距高频的无线电技术,在13.56MHz频率运行于20厘米距离内,其传输速度有106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s三种,采用主动和被动两种读取模式。目前,近场通讯已成为ISO/IECIS18092国际标准、ECMA-340标准与ETSI TS102190标准。

Andriod系统从2.3版本开始提供对NFC的原生支持,在操作系统的支持下,很多手机都增加了NFC模块。

异军突起:细剖近场通讯原理

NFC的通讯原理与RFID一样,也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递信息,但传输范围小, 与现有非接触智能卡技术兼容。NFC的安全性较高,可实现相互认证和动态加密,是一种近距离的安全通信方式。

RFID手机仅作为标签使用,而NFC手机内置NFC芯片,可以实现数据的双向传输,因而更适合用于电子货币支付。NFC技术支持多种应用,包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等。

NFC应用中也有单纯的标签(NFC Tag),它是内置有NFC芯片的商标、海报、展板、印花或者卡片。标签中的NFC芯片无需电池支持,可通过其他NFC装置产生的无线射频场进行激活,利用感应电流来驱动电路。

NFC没有读卡器和卡,或者说NFC设备集成了读卡器和卡的功能,只是这些NFC设备的身份不同而已。NFC设备可以用作非接触IC卡、读写器终端甚至数据传输链路,其通讯模式有主动和被动之分。

1.NFC设备通讯模式

(1)主动模式

在主动模式下,NFC设备相当于一个读写器,发出射频场去识别和读写其他NFC设备的信息,如NFC手机在读取NFC标签时,就在主动模式下工作。

(2)被动模式

在被动模式下,NFC设备被模拟成一张卡,在其他NFC设备发出的射频场中被动响应,被读写信息,如NFC标签, 就工作在被动模式下。NFC手机在读写器上“刷卡”时,也工作在被动模式下。

在被动模式下,NFC发起设备(主设备)在整个通讯过程中提供射频场 (RF-field),选择106kbps、212kbps或424kbps中的一种传输速率,将数据发送到NFC目标设备(从设备)。从设备不产生射频场,而使用负载调制(load modulation)技术,以相同速率将数据传回发起设备。

(3)双向模式

此模式下,两端的NFC设备都主动发出射频场来建立点对点的通信,相当于两个NFC设备都处于主动模式, 如两部NFC手机通过NFC进行连接时,就是双向模式(如图4)。

2.NFC设备整合方式

(1)与手机完全整合

NFC可以完全与手机整合,这就要求NFC控制器和安全构件都被整合进手机中,前者负责通讯,后者负责数据安全,如三星的GalaxyS4Lte、诺基亚的Lumia 930、苹果的i Phone 6、魅族的MX3、HTC的ONEX等(如图5)。

(2)整合到SIM卡

NFC还可以整合进SIM卡上,并在移动运营商的网络上进行识别,如中国移动与北京交通部门合作的“移动NFC手机一卡通”(如图6)。

(3)整合到存储卡

SD卡、micro SD卡(TF卡)是手机上常用的存储卡,NFC也可能整合到这种存储卡上。对于早期的i Phone用户,则可以通过“手机套”来使用micro SD卡,从而使用整合在卡中的NFC技术(如图7)。

3.NFC设备使用模式

(1)卡模式

卡模式中,NFC设备可作为信用卡、借记卡、标识卡或门票使用,实现 “移动钱包”功能,如北京地铁上使用的NFC技术。

在该模式下,NFC设备相当于一张采用RFID的IC卡,可替代多种IC卡, 用于商场刷卡、公交乘车、门禁管制、宾馆钥匙等。此时卡片是被动设备,无需供电,通过非接触读卡器的RF域来感应供电,即使在手机等寄主设备没电的情况下也可以工作。

Andriod 4.4以后的版本,还支持HCE(HostCardEmulation),通过手机端软件模拟卡实现卡模式。

(2)读模式

NFC设备作为非接触读卡器使用。读模式中,NFC设备可以读取标签, 类似于条码扫描原理,也许在普及后还能取代条码阅读。可用于从海报或者展板的电子标签上读取相关信息,如加拿大丰业银行宣传活动中的数字标牌面板,用NFC手机可以读取信息并获得四场免费电影。

(3)点对点模式

也称P2P模式,NFC设备之间可以交换信息,如用两个NFC手机交换联系方式。

该模式用于数据交换,传输距离较短,传输建立较快,功耗低。将两个NFC设备连接,能实现数据点对点传输,下载音乐、交换图片或同步地址薄。 通过NFC,还能让多个设备,如DC、 PDA、PC和手机之间都可以交换资料。 简单一“碰”,即可快速建立蓝牙连接, 或者交换手机名片(如图8)。

4.NFC的协议过程

(1)初始化

以手机为例,NFC模块开启时, 初始化一些参数,这时NFC芯片处于IDLE的状态,不会产生射频场,即处于侦听状态。

(2)模式选择

相应的应用程序启动后,NFC芯片会得到相应的模式配置,一般用通讯标准、通讯模式、工作模式三个参数的组合来表达。

(3)发现

模式配置好后,如果在Poll工作模式下,NFC芯片将会打开射频场,并根据配置模式开启发现功能,来发现周围的NFC设备。如果在Listen工作模式下,NFC芯片就会等待对方设备发来的Poll命令。

(4)激活

当目标设备被选中后,将会进行设备激活。

(5)链路激活

在点对点通讯时,还需要对链路进行激活。底层链路建立好后,NFC设备间就可以进行通讯了。

一触即发:细看近场通讯标签

近场通讯技术的关键要素之一, 在于NFC装置与被动式NFC标签沟通的能力,要求二者一“触”即发。这也正是NFC应用成为可能的关键。

为了定义主动式NFC读写器与被动式标签之间的通讯,NFC论坛在2006年6月推出了其第一个标准技术架构和NFC合规装置的标准,包括NFC数据交换格式(NDEF)、三种记录类型定义 (RTD),用于智能海报、文本、互联网资源读取应用。

NFC标签是被动式装置,可用来与主动式NFC装置(主动式NFC读写器)通信。随着NFC技术的流行,NFC标签将渗透到很多新的领域。

NFC标签可用于储存小量数据并传输到主动式NFC装置的场合,如在海报、卡片、名片中,起作用的部分可用来做主动设备的接触点。

NFC标签所含储存的数据可为任何形式,但一般是用来贮存URL地址 (类似于二维码网址),以供NFC装置找到进一步的信息。所需数据量很少,故可使用NFC标签(如图9)。

1.NFC标签的类型

NFC的基本标签类型有4种,以1~4类来标识,分别基于ISO14443的A与B类型(非接触式智能卡的国际标准)、ISO18092(符合被动式通讯模式的SonyFeli Ca标准),各有不同的格式与容量。

(1)第1类标签(Tag 1 Type)

基于ISO14443A标准,存储容量为96字节(可扩充到2k字节),速度是106kbit/s,具有可读、重新写入的能力。用户可将其配置为只读,用来存储URL网址或其他小量数据。这类标签较简洁, 故成本低,适用于许多NFC应用。

(2)第2类标签(Tag 2 Type)

基于ISO14443A,存储容量为48字节(可扩充到2k字节),速度是106kbit/s,具有可读、重新写入的能力。用户可将其配置为只读。

(3)第3类标签(Tag 3 Type)

基于SonyFeli Ca体系,存储容量为2k字节,速度是212kbit/s,只读。这类标签成本较高,适合较复杂的应用。

(4)第4类标签(Tag 4 Type)

基于ISO14443A、B兼容标准,存储容量可达32k字节,速度在106~424kbit/s之间,制造时被预先设定为只读或可读/可重写。

4类标签,前两类与后两类在内存容量、构成方面大不相同,应用范围重叠较少。第1、2类标签是双态的,可为读/写或只读,第3、4类常常是只读的, 数据在生产时写入或者后期通过标签写入器写入。

2.NFC标签的运行

NFC标签是无需电源的被动装置。在使用时,用户用具有NFC功能的设备与其接近,标签通过电感从读写器获得很小的电源,驱动标签的电路,把信息传输到读写器。

标签内存里的数据传送到NFC设备后,根据其实际内容(如URL网址、文本、其他数据)来决定后续操作,可能是打开某一网址、显示文本内容、进行文件传输等。

简单的低成本NFC标签可以一次性使用,如用于智能海报、展板等。

3.NFC标签的生产

在保证功能的前提下,标签应该能够低成本量产,因此在设计标签时要考虑以下的几个关键参数。

(1)读取速度

速度决定了在两个NFC装置接近时传输标签数据的时间。如果速度太慢,在装置离开后还没有完成传输,在可靠性上就是致命的。即使有友好提示,重复多次的接近操作也会让用户厌烦。第1类NFC标签允许所有数据整块 (Block)传输,保证了标签的读取性能。

(2)晶片尺寸

在NFC标签设计中,晶片尺寸(Die Size)具有决定了它可以用于什么样的设备和场合。尺寸较大时可以用在智能海报中,尺寸较小时,才能用在手机卡、 手机后盖等小物件上,而且成本也会降低,隐蔽性更好。存储容量较小也决定了标签可以做得很小。

(3)单位价格

NFC标签的目标应用是极低成本的,单位价格甚为关键。标签成本受内存大小和所含附加特征带来的集成电路复杂性等众多因素的影响。

无卡不入:细说近场通讯应用

NFC技术的诞生已经有十几年的时间,但是在早期并没有得到大面积应用。因为最初它的优势在于快速支付, 而微信、支付宝等形式诞生后,人们有了更多方便的支付方式可以选择,NFC的扫机支付不再令人神往。然而,NFC的应用远远不止支付手段这一方面,而是涉及社会生活的方方面面。

NFC的应用主要可分为四个基本类型:移动支付、电子票证、智能媒体、 数据交换。

1.移动支付

NFC最实用的功能就是移动支付,使手机成为一个移动钱包,目前在地铁、公交、商场、饭店等部分场所已经可以使用,但普及程度还远远不够。

2.电子票证

让NFC设备充当公交卡、门禁卡、 电子钥匙、车票门票等,是完全可能的。目前很多地市都以SIM卡形式支持这种公交一卡通(部分是使用老式的RFID-SIM卡)。

3.智能媒体

包括各种智能展板、海报、卡片、 名片、标签等。使用NFC手机读取这些NFC标签就可以获得相关信息。例如, 读取电影海报能下载和播放预告片,读取名片能把联系方式保存到手机上,读取街头的公共标签就能浏览交通、天气等各种信息。其实这种用法与二维码的扫码非常类似。

4.数据交换

数据交换常常是无线连接不可避免的要求。NFC也具有数据传输功能, 如传输图片、交换通讯录、传递文件等。 但是NFC的传输速度太慢(如图10)。

如果NFC与蓝牙配合,结果就大不相同了。先用NFC进行识别,这个过程“碰一下”就完成了,省去了验证码的输入和手工配对的麻烦;然后再用蓝牙建立连接和传输数据,速度快且传输量大。这样的好处是,碰一下后即可分开,不需要一直保持近距离,因为后面的数据传输是由蓝牙连接来完成的。

类似的,手机碰碰电脑,手机碰碰键盘,信息交换就轻松愉快地开始了——前提是,它们都支持NFC。

5.特定动作

通过特定的NFC标签,还可以让手机产生特定的动作。例如,登录WIFI网络,连接蓝牙设备,转换手机模式,直接拨打电话等。

市场上已经有了带NFC智能配对功能的音响产品,打开手机的NFC功能并在音响的特定区域碰一下,便可实现手机与音响之间的蓝牙配对连接,省去了密码验证和配对的麻烦。当然,目前也已经有了可直接智能搜索自动配对的蓝牙音箱。

如果在会议室门口设置一个特殊的NFC标签,与会者入场时扫一下就能将手机设为会议模式,肯定也是很受欢迎的;在轿车驾驶室内设置一个NFC标签,用于触碰时快速切换手机至驾驶模式,那也会更方便;而在广告牌的电话号码下,设置一个NFC标签,手机碰一下就可以直接拨打这个电话或者发送短信,恐怕也会吸引不少商家;在宾馆房间内的床头边,设置启用/关闭闹钟等一系列快捷NFC标签,不但人性化,也会大受欢迎……

结束语

据ABI市场调查公司的数据,2017年市场上NFC设备总数将达19.5亿台, 涉及产品包括智能手机、平板电脑以及家庭娱乐终端。乐观地看,我们可以期待NFC技术一路高歌。然而,支付宝、 微信等在移动支付上的优势,二维码在快速访问上的优势,云存储在数据传输上的优势,都是NFC的巨大威胁。

平面近场测量系统集成与实现 篇7

1 系统硬件组成和原理

1.1 系统硬件结构

如图1所示,系统基本组成如下:

1)射频微波仪器。主要包括发射端发射信号源、发射天线、接收端接收天线(探头)、矢量网络分析仪等。

2)定位装置。主要包括低反射扫描架和支架。主要实现放置天线的定位、双向高精度移动,对目标进行三维方向图测量。

3)主控计算机。主要包括主控计算机和GPIB、串口[3]等相应的标准通信控制接口。主控计算机安装有系统集成软件,完成对硬件的级联控制和操作,实现功能测试,进行数据通信和后端数据处理。

1.2 系统工作原理

如图1所示,在主控计算机控制下,射频信号源发射信号,通过耦合器分为两路,一路输送到参考混频器与本振信号混频形成8.33MHz的中频信号,另一路经过发射天线向探头天线发射,接收端接收探头在平面上每个网格点上接收信号,并送入矢量网络分析仪内部接收机作为测试信号,接收机完成网格点微波信号的幅相测试。然后通过软件系统,完成近场幅相数据的近场变换,从而实现天线的方向图和增益等的测试。

2 系统软件设计

我们所开发的软件系统主要实现以下功能:实现测量系统硬件控制(包括微波射频仪器和机械定位装置),可完成用户多种测量任务,具有测量设备现场实时指令状态通信以及数据传输能力;具有数据实时显示、刷新、读写能力;具有动态交互能力;具有数据处理功能;具有错误状态提示以及对异常状态的处理能力;具有位置误差和扫描面阶段误差自动补偿功能[7,8,9]。软件采用高级编程语言Borland C++Builder6.0结合Matlab7.0混合编程来实现。编译后可独立运行于Windows XP/2000/NT等操作系统。

2.1 软件层次和功能模块划分

按照模块化、层次化的标准化软件设计理论,如图2所示,本软件系统可剖分为以下几大模块和层次。各个模块相互协调工作,以完成天线测量和数据处理等功能。

2.2 软件结构设计

在对各个功能模块剖分设计的基础上,还需要设计软件内部三大结构,即数据结构、逻辑结构、时序结构。其中数据结构设计属于较低层的结构设计范畴,主要针对参数层次进行;逻辑结构、时序结构属于较高层次的结构设计范畴,主要针对事件层次进行。上述功能模块设计完成后,要实现最终的软件测量功能,还需要完成对于事件的触发响应方式编程。对于事件的触发响应,便需要完成两种结构设计,即逻辑结构设计和时序结构设计。

测量数据存储是典型的逻辑结构设计,参见图3。首先判断存储事件是否发生,然后判断数据存储格式、存储地址是否正确,最后进行事件响应,进行数据存储。

测量过程属于典型的时序结构设计参见图4。首先判断测量事件是否发生,然后对射频仪器和定位装置进行时序控制,进行事件多线程响应,完成整个测量过程。

3 测试结果及数据分析

利用该测量系统,对3.1GHz—3.5GHZ的波导缝隙天线阵进行了测量[10,11],下面对测量结果进行分析。

3.1 近场测试数据分析

对近场情况下频率为3.35GHz时所测得的近场幅度和相位数据进行处理,做出近场数据的三维图形,如图5所示,是近场幅度图形。

3.2 近远场变换结果

把刚才的近场数据在系统软件中进行变换[12],得到如图6所示的结果,横坐标为θ方向角度,纵坐标为变换后天线电场的dB值,与直接远场测得的方向图(如图7所示)比较,发现二者所得的结果吻合的比较好,这表明了该系统的正确性。至于方向图的不对称主要是由截断误差和探头位置误差引起的。

4 结束语

我们集成的这套平面近场测试系统优点在于:系统工作频带宽,功能强大;测试效率很高;系统测量精度高;人机界面友好,放便使用。目前这套系统已经投入使用,测试精度和系统稳定性达到了预期效果。

参考文献

[1]Pairs D T,Leach W M,Joy E B.Basic theory of probe-compensated near-field measurements[J].IEEE Trans on AP,1978,26(3):373-379.

[2]Hansen T B.Near Field Scanning in the Time Domain,Part2:Sampling Theorems and Computation Schemes[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1994,42(9):1291-1300.

[3]曹岩,王海宇.C++Builder应用程序开发实例与技巧[M].西安:西安交通大学出版社,2005.

[4]Yacccarino R G,Samii Y R.Phaseless Bi-Polar Planar Near-Field Measurement and Diagnostic of Array Antennas[J].IEEE Transaction Antennas and Propagation,1999,47(3):574-583.

[5]Newell A C,Crawford M C.Planar near-field measurements on high performance array antennas[M].NBSIR,1974:74-380.

[6]Yaghjian A D.An Overview of Near Field Measurement[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1986,34(1):141-184.

[7]Newell A C.Planar Near-Field Measurements[M].NBS Lecture Notes,Boulder Co.1985.

[8]Yaghjian A D.Upper-Bound Errors in Far-Field Antenna Parameters Determined From Planar Near-Field Measurements---Part I:Analysis[M].NBS Technique Note TN667,1975:8-69.

[9]Yaghjian A D.Upper-Bound Errors in Far-Field Antenna Parameters Determined From Planar Near-Field Measurements---Part II:Analysis and computer simulation[M].NBS Short Course Notes,Boulder Co,1975.

[10]梁步阁,袁乃昌.宽带RCS自动测试系统设计[J].计算机测量与控制,2004,12(1):64-65.

[11]毛乃宏,俱新德.天线测量手册[M].长沙:国防工业出版社,1987.

利用近场子波进行单空气枪测试 篇8

1 空气枪及近场子波形成

1.1 空气枪的工作原理和近场子波的形成

气枪充气时, 高压空气从进气口注入贮气室, 里面的弹簧把活塞压住使空气密封在贮气室中;点火激发时, 阀门打开, 高压空气迅速推动活塞向外运动, 瞬间释放到海水中, 完成一次点火激发。之后, 阀门自动关闭, 活塞失去了推力, 高压空气继续向贮气室中注入, 等待下一次点火激发释放。高压空气在海水中瞬间释放, 形成强大的冲击力, 以气泡形态在海水中呈现压缩与扩张的阻尼性反复震荡[2]。

高压气体进入海水时, 起始时刻气泡内压远远高于周围静水压力, 气泡迅速膨胀;随着气泡体积增大, 内压减小, 当内压逐渐小于静水压力时, 负压迫使气泡开始压缩;直到内部压力大于静水压力, 气泡再次膨胀, 开始第2个循环……如此往复, 压力波也因此形成并向水中传播, 这便形成了空气枪激发的震源子波。

如果我们在气枪附近 (1米以上) 安置近场检波器, 来接收这些震源子波, 那么就得到了近场子波, 如图1所示。

1.2 近场子波模型及其重要参数

气枪子波最具代表性的理论模型有两种:齐奥科夫斯基模型和舒尔兹盖特曼模型, 另外还有一些其他模型, 如萨法模型等[3]。目前, 海洋地震勘探中所用的空气枪主要是BLOT枪、Sl EEVE枪和G枪, 近场子波的测量、接收和计算则基于的是齐奥洛夫斯基模型。根据这一理论, 气泡周期经验式可表达为:

其中:C为常量, 一般取决于气枪的设计模式;P为气枪工作压力;V为气枪容量;D为气枪沉放深度;P0 (D) 为沉放深度处的净水压力。可以看出, 随着压力、容量的增加, 气泡周期会增大, 而随着深度的增加, 气泡周期会有所减小。

2 计算实例

2.1 计算原理

根据气泡理论周期的公式, 我们知道同一工区气枪的压力、容量是不变的, 而气泡周期可以通过软件进行测量, 这样就能计算出气枪的深度。如果将计算出来的气枪深度与设计的深度进行对比, 两者差值就是判定枪是否挂错的重要参数, 在野外施工过程中, 通常差值大于1或者小于-1就要引起注意, 此时可能已发生超标现象。这时候就要通知仪器部门和气爆班组仔细检查一下新换的枪是否有问题。我们可以通过绘制所有记录的深度曲线图来进行对比, 这样就能更能直观的发现问题。

2.2 步骤及实例

进行单枪测试检查时先要根据枪控记录的数据测量气泡周期 (如图2-左) , 再将周期代入气泡周期经验公式中, 从而计算出气枪沉放深度, 最后根据数据深度数据绘制深度曲线图, 近而判断气枪位置的正确性。

图2-右是某地震船作业中的一次实测数据, 将实测数据进行上述处理后, 得到实际气枪深度曲线, 将理论气枪值和气枪实际深度曲线做对比, 进而来检查深度的正确性。可以看到图中气枪深度值围绕设计值6米做上下波动, 波动范围不超过1米, 这与地震采集要求是吻合的。

3 结论

当前, 利用近场子波进行单枪测试在新工区开工时和每次气爆维修更换新枪后的检查起着愈加重要的作用, 它可以很直观的是检查枪是否有挂错, 判断定深绳的深度是否有错, 这对海上空气枪震源勘探来讲, 起到了一个很好的质量监控作用, 保障了气枪激发的准确性。

摘要：分析、利用近场子波特征, 完成对海上单个空气枪进行测试从而实现对空气枪状态的质量监控, 在海洋地震勘探过程中是一种简便、实用的方法。本文介绍了国外最具代表性的气枪子波理论模型, 分析了经典子波模型的理论公式。针对海上单个空气枪质量监控等问题进行了理论分析, 给出了利用近场子波实现对单枪测试的操作步骤。实例表明, 该方法简便、有效、可行。

关键词：近场子波,空气枪,单枪测试

参考文献

[1]杨志国, 王哲.海洋地震资料采集过程中近场检波器的应用[J].地球物理学进展, 2012, 27 (3) :1026-1033[1]杨志国, 王哲.海洋地震资料采集过程中近场检波器的应用[J].地球物理学进展, 2012, 27 (3) :1026-1033

[2]毛宁波等.海洋石油地震勘探[M].湖北:湖北科学技术出版社, 2004.[2]毛宁波等.海洋石油地震勘探[M].湖北:湖北科学技术出版社, 2004.

中国银联：称霸近场支付 篇9

中国支付市场，近十年來都是中国银联一枝独秀的局面。从2002年成立至今，霸主地位无人能撼动，但随着在线支付平台逐渐发展成熟并率先在新的市场领域规划布局，地位也开始受到动摇。

首当其冲的就是支付宝。它依托淘宝网迅猛发展起来，现已是整个电子商务体系最大的支付平台，在手机充值、水电煤缴费和转账上均能为用户提供便利、快捷的支付体验，并能绕过银行的网银入口，直接跟银行后台数据对接，已经成为银联最大的竞争对手。除此之外，财付通（腾讯旗下）、汇付天下、快钱、百付宝和易宝支付等第三方支付企业已多达上百个。如今，随着智能电视的发展，还诞生了电视支付。

在网络支付尚未成型的背景下，移动互联网的兴起再次带动了移动支付的发展，并有望改变传统支付格局。这种情况之下，多方势力都在积极布局移动支付业务。以支付宝为例，其已进入包括二维码购物支付、手机购物支付和其他远程支付方案领域。

在网络支付领域落后于支付宝之后，中国银联并不想失去引领移动支付的机会。为了不在移动支付领域落于人后，银联也在2010年推出银联在线，积极布局第三方支付。

从技术角度来说，目前的移动支付分为移动终端刷卡支付、近场支付（NFC）与远程支付三种。银联的优势在于，在移动终端刷卡支付领域享有绝对优势。由于传统零售渠道的POS支付通道被银联占据，电信运营商选择了近场支付（NFC技术）重新铺设支付网络。例如，中国电信就推出了天翼移动支付应用，以话费为基础进行费用结算，这是摆脱对用户银行账户和银联通道依赖的创新性尝试。中国移动早在2010年3月就入股浦发银行，力图整合移动和金融资源，开展移动支付业务，但直到今年6月才推出“中国移动浦发银行联名卡”，丧失了先发优势。不过，由于中国移动、中国电信和中国联通都拿到了支付牌照，它们还可以依靠自身的通信网络和用户群，提供近场支付或刷卡移动支付解决方案。

除了运营商，发力NFC的还有商业银行。国内大型银行普遍已经开展手机银行业务，可以实现缴费、充值和电影票购买等远程支付业务。移动支付兴起之后，银行也想有更大作为。例如，招行机卡合一的移动支付方案就在酝酿过程中。

支付宝跟电信运营商面临同样的难题：由于无法跟银联合作，其在国内无法通过银联全国的POS设备收单，所以只能采用远程支付模式（如二维码扫码支付）推进移动支付业务。

近场热辐射实验测量方法的进展 篇10

在平衡状态下,由于与材料内能有关的分子和原子激发,一切物质都连续地发出电磁辐射[1],其中,与热和光现象有关的辐射称为热辐射。物质辐射的电磁波有两种形式:一种传播到自由空间,即远场辐射;另一种只是沿着物体表面传播,在垂直于物体表面的方向上电磁场呈指数衰减,即近场辐射。近场辐射传热不向自由空间辐射能量,只有当两物体间的距离小于热主波波长时,一个物体吸收了另一个物体的表面波才产生热量传递。由于在常温(300 K)下对于黑体的热主波波长约为10 μm[2],因此,在通常情况下近场辐射传热现象不易发生。工程技术的发展,特别是微机电系统和纳米器件的发展,为近场辐射传热的发生提供了条件[3]。经过研究发现,近场辐射的传热量可以大于由黑体辐射理论限定的物体辐射的最大值,在30 nm的辐射距离下,近场辐射传热强度可达到远场辐射传热强度的5倍[4,5,6]。由辐射的近场作用而导致的增强传热对微/纳器件产生了两方面的影响:一方面,对一些需要绝热的器件,需要避免或减小这种传热方式产生的热量损失;另一方面,对一些热光电(TPV)转换器件,利用这种传热方式可以提高器件的功率密度和转换效率[7]。 除此以外,近场热辐射还具有更广泛的作用,如提高扫描隧道显微镜(STM)、扫描热显微镜(SThM)和原子力显微镜(AFM)等的分辨率[8,9],以及促进热辅助光学光刻和高密度磁光存储等。

1 近场辐射传热的实验方法

由近场辐射传热的发生机理可知,在研究近场辐射传热的实验中,需要使两辐射物体间的距离小于10 μm。而且,根据物体间的距离越近近场效应越明显的特点,距离越小越能够揭示出辐射传热的物理机理。对1 nm甚至更小间距下的辐射传热的测量,已经成为一个重要的研究方向,国内外众多研究小组为达到这一目标而努力。从发现热辐射的近场现象至今,一系列测试方法及与之相关的新的测试装置随之发展起来。

1.1 辐射传热近场效应的发现

早在20世纪60年代末期,美国加州大学伯克利分校 Tien 教授的科研小组和荷兰飞利浦公司实验室Hargreaves工程师的科研小组分别在低温和常温下发现了辐射传热增强的现象[10,11,12,13]。

Tien 教授的小组采用如图1(a)所示的实验装置。该装置有1个实验腔,将实验腔沉浸在不同的温度浴中可以建立不同的实验环境温度。在 Tien 教授小组的实验中,实验腔被浸在液氦浴中,建立的实验环境温度为4.6 K。实验腔中有2个直径为8.5 cm的铜盘,铜盘面对面平行放置。下方的铜盘作为热辐射的吸收器使用,该铜盘由金属支架连接到腔壁上,使它的温度与环境温度相同。上方的铜盘连接在实验腔外的位置调节杆上,悬空放置在下方铜盘的正上方。在上方铜盘背面安装加热电阻,在实验中将其温度升高到11 K,作为热辐射的发射器使用。在上方铜盘背面同时安装测温电阻,电阻值采用四线制方法测量,测量精度为0.1%。实验在真空状态(1.33×10-9 Pa)下进行,调整位置控制装置使上方铜盘逐渐接近下方铜盘,同时记录上方铜盘的位置、加热电阻的加热功率和测温电阻的阻值。辐射热通量由加热功率、两铜盘间温差及铜盘的面积计算得出, 通过观察辐射热通量与两铜盘间距的关系,发现热辐射受到空间距离影响。该实验装置能够测量的两铜盘的间距为440～10 μm。

Hargreaves 小组采用如图1(b)所示的实验装置。实验装置中有1个实验腔,在实验腔中安装2个面积同为5 cm2的玻璃圆盘,两圆盘面对面平行放置。上方玻璃圆盘的下表面和下方玻璃圆盘的上表面覆盖100 nm厚的金属铬。上方盘的温度保持为环境温度(306 K),作为热辐射吸收端,下方圆盘被加热到323 K,作为热辐射发射端。实验在真空状态下进行(1.33×10-3 Pa),使用压电陶瓷调节下方圆盘逐渐接近上方圆盘,使两圆盘的间距从6 μm减小到1.5 μm,通过调节加热电阻的输入功率,保证发射端和吸收端的温度差恒定,记录输入功率值。其中,发射端和吸收端的温度差由铜-康铜热偶监测。实验过程中,通过窗口(图1(b)中字母W标记)观察两玻璃圆盘的干涉条纹来辅助调节两圆盘的平行程度,通过测量两圆盘间的电容来测量两玻璃圆盘之间的间距。实验中通过研究加热电功率与两玻璃圆盘间距的关系发现, 常温下,当两玻璃圆盘间距小于2.5 μm时,出现辐射受空间距离影响的现象。

1.2 近场辐射传热的实验

1.2.1 可变间隙方法

前述的两组实验观测到了平板间距在微米量级时辐射传热的近场效应,但是实验过程中也存在问题。其中,Tien小组实验中在确保两铜金属板平行方面受到佐治亚理工学院的 Wulff 教授的质疑[12]。尽管在Hargreaves 小组的实验中采用观测干涉条纹的方法来监测两平板的平行状态,但是,对于更小辐射距离下的近场传热实验来说,保证前述实验中这种大面积的平板平行仍然是异常困难的。因此,从20世纪90年代起,随着原子力显微镜(AFM)的出现,一些国际同行开始采用扫描探针技术对微/纳米距离下的辐射传热进行测量。

(1)Xu教授小组

1994年香港中文大学的Xu教授及其团队采用扫描探针技术,尝试了辐射传热物体间距为亚微米级的测量[14]。他们在实验中应用了类似AFM装置,一台商用扫描隧道显微镜(STM),并安装了自制的探针。探针制作过程如下:先将直径0.2 mm的铟金属线末端经电化学方法腐蚀出细尖,安装在STM 的扫描头上,利用STM的位置控制器将铟金属针挤压到光学玻璃表面后,在铟金属针末端形成直径为100 μm的平面。改装后的STM探针如图2所示。铟探针上缠绕了加热电阻丝,通过加热电阻使探针升温,作为热发射器。热接收器是一个铜-银热偶,制作在玻璃平板上。铜金属条和银金属条中间的重叠区域构成热偶的热端,其面积为160 μm2, 两种金属的边缘作测量点,该玻璃板放置在STM载物台上。实验中,STM真空腔中的气压为1.33×10-3 Pa,平面热偶的温度为室温,铟探针被加热到高于平面热偶40 K,调节STM位置控制装置先使铟探针尖垂直接触铜-银热偶重叠位置,然后逐渐抬高探针的位置以增加两者间的距离,位置数据可以直接由位置控制装置记录。随着探针越来越接近热偶,吸收的热辐射使热偶的中心区域温度升高,热偶中心与边缘的温度差使热偶输出端产生电压信号。将热偶输出电压信号与实验中记录的距离数据进行对比,可以研究距离对辐射传热的影响。该小组虽然较早地利用扫描探针技术进行近场辐射研究,但是,由于实验装置的精度问题, 导致测量数据不能准确地说明近场热辐射。

(2)Kittel教授小组

德国奥登堡大学的Kittel教授及其团队在1999年、2005年、2008年相继发表了一系列研究成果[8,15,16,17]。在该小组2008年的论文中介绍了一种新型热偶探针的制作过程,探针的具体样式如图3(a) 所示。探针是一个利用MEMS(微机电系统)工艺加工的同轴型热偶,由内部的白金丝、中间的玻璃套管和外部的黄金层组成。加工完成后的热偶尖端直径约为2 μm,热偶的热电系数为9.5 μK-1,能够探测的最小热电流为500 nW。在近场辐射传热的实验研究中,该组采用了改装的STM设备,如图3(b)所示。热偶探针作为辐射的发射端,其温度为室温(约290 K),以1个黄金平板作为辐射吸收端,放置在STM载物台上,利用载物台的降温装置将黄金平板的温度降到110 K。利用STM 的位置控制器,调整热偶探针与黄金平板间的距离,并测量热偶尖端的温度变化。位置控制设备可调节探针与样品间的距离范围是1～30 nm,但由于设备噪声的影响,实验中有效的信号对应的最小距离为十几纳米。

前述关于近场辐射效应的研究是针对金属材料表面。有理论研究表明[18]:金属表面的表面波是等离子体极化 (SPPs),这种表面波在电磁波谱中位于紫外波段,很难通过加热的方式在金属表面激发出表面波;而介质表面的表面波是表面声子极化 (SPhPs), 这种表面波在电磁波谱中位于红外波段。由于介质材料具有表面电磁波可通过加热激发的特点和表面波被吸收后热作用明显的优势,所以,对于近场辐射传热的实验研究来说,介质材料是比金属材料更好的实验对象。

(3)Chen教授小组

较早开展介质材料间的近场热辐射实验测量的是麻省理工大学的 Chen 教授等,他们分别采用两种不同方法对介质材料间的近场热辐射进行研究[19,20,21]。

2008年Chen教授采用了与Kittel教授类似的策略,对STM设备的探针进行改装,实验装置如图4(a)所示。他们开发出一种新型探针,如图 4(b)所示,该探针是一种采用MEMS工艺加工的氮化硅-黄金的双材料微型悬梁结构,在其尖端安装了一个直径为50 μm的二氧化硅微球。硅微球吸收热辐射后,温度升高,双材料悬空结构的尖端温度也随之升高,悬梁结构尖部和根部产生温度差,使组成探针的两种材料受热变形,不同材料受热变形的程度不同导致悬梁弯曲,而悬梁的弯曲程度能直接反映出传热的情况。该小组利用光学方法测量悬梁结构的弯曲程度,悬梁的最小弯曲程度对应的最低温度范围为10-4～10-5 K。 实验在真空环境中 (0.1 Pa) 进行,用微型悬梁结构替换STM原有探针,将光学玻璃平板放在载物台上,玻璃板作为热发射器,玻璃微球作为热吸收器,探针垂直于玻璃平板并与玻璃板温度相同,通过STM的位置控制装置调整探针与玻璃平板间的距离从10 μm变化到30 nm,记录悬空梁的变形程度。测量数据显示:间距不大于10 μm时,近场热辐射现象明显;间隙为9 μm时,在单位时间内近场辐射传热量比黑体辐射的传热量(29 nJ/K)高出6 nJ/K。但是,实验数据比采用Derjaguin近似方法得到的理论计算值大,因此,Chen教授认为Derjaguin近似方法值适合于直径小于2 μm的球体,对于该组实验中直径为50 μm的球体不适合。

(4)Greffet 教授小组

法国国家科学研究院(CNRS)光学研究所 Greffet 教授所在的科研小组也一直从事微/纳尺度下热辐射的研究,该小组早期从光学的角度研究表面波,后期以辐射传热的角度进行研究,观测对象包括金属表面和介质表面,并在近场热辐射实验测量方面取得了很多成果[6,9,22,23,24]。比较突出的是Emmanuel等发表在《自然光子学》杂志上的成果,被德国奥登堡大学的Kittel教授认为是具有相当高精度的研究结果[25]。

2009年该团队研制出与麻省理工Chen教授小组相似的双材料悬梁微型探针。Greffet教授小组在实验中采用一套不同的系统(图5)测量悬臂梁的受热变形程度,该系统中用光纤引导激光对准悬梁的尖部,当悬梁变形时,入射光和反射光的干涉变化产生信号,该信号被转换成一个电压信号,将该电压信号输入压电陶瓷执行器,执行器调整光纤头的位置,使其与悬梁的距离保持恒定。实验中热辐射的发射端是玻璃板,放在ATM的载物台上。热辐射的吸收端是探针,吸收端温度为环境温度,通过载物台的加热装置加热发射端,使其温度比环境温度高21 K。在真空条件下(10-4Pa),使得玻璃平板向上接近探针的微球,记录压电陶瓷执行器的输入电压信号。通过对实验数据的分析发现,当辐射物体间的距离从2.5 μm 减小到30 nm 时,单位温差下的热辐射功率由6 nW/K变为18 nW/K,已经超出相同温度下的远场辐射(5.45 nW/K)。同时,Greffet教授还认为Derjaguin近似方法是有效的。

1.2.2 其他方法

(1)Chen教授小组

2008年麻省理工大学的Chen教授小组研究了固定间隙结构中的近场辐射传热,测量系统如图6所示[26]。测量系统由直径为1.27 cm、厚度为0.635 cm的2块光学玻璃构成,两玻璃板面对面平行放置,在两玻璃板边缘填充导热系数为0.18 W/(m·K)、直径为1 μm的聚丙乙烯颗粒,使两玻璃板中央区域形成1 μm的间隙。上方玻璃板作为热发射器,在其上表面安装升温和测温装置;下方的玻璃板作为辐射吸收器,在其下表面安装测温和测热通量的装置。测量实验在真空环境中(8.58×10-3 Pa)进行,下方玻璃板保持在环境温度(297 K),加热上方的玻璃板至不同的温度,记录两玻璃板的温度值和热通量测量值。实验数据表明,单位时间内近场辐射传热量比同温度下黑体辐射传热量高35%,并随发射器的表面温度从310 K升高到340 K,辐射传热量呈线性增加。

(2)Tang教授小组

2012年大连理工大学(DLUT)的Tang教授小组利用CMOS兼容技术,研制出具有2个微型悬空薄膜结构的器件[27],如图7(a) 所示。2个悬空结构之间有一个重叠区域,面积为16 μm×16 μm。重叠区域内的薄膜结构相互平行,它们之间的距离为550 nm。在下方结构中制作多晶硅电阻,可以同时起到加热和测量温度的作用。测量实验在真空腔中 (10-5 Pa) 进行,首先利用多晶硅电阻加热下方悬空结构,记录加热电流和多晶硅电阻的电阻值。然后,将上方悬空结构用探针去除,如图7(b) 所示。再加热下方的悬空结构,记录加热电流和多晶硅电阻的阻值。利用多晶硅电阻的阻值和温阻系数可以计算出下方结构的温度,在此基础上,可以计算出有上方结构和没有上方结构两种情况下,加热下方悬空结构到相同温度时所需的功率差,该功率差反映下方结构对上方结构的辐射传热。实验结果表明,在间距为550 nm时,两薄膜间的辐射传热大于同等温度条件下的黑体辐射传热。

2 实验方法的发展趋势

2.1 已取得的成果

从发现辐射传热受空间影响的现象至今,测量近场辐射传热的实验已经开展了半个多世纪,在众多科研工作者共同努力下,实验测量近场辐射传热方面已经取得显著的成果:(1)近场辐射传热测量的距离已经从1.5 μm缩小到30 nm;(2)测量结构由直径8.5 cm的圆盘-圆盘结构发展到微型(直径22 μm)扫描探针技术, 利用“点-面”结构取代“平面-平面”结构,解决了两平面在微小间隙下不易保持平行的困难;(3)测量技术从利用热电阻传感器直接测量到利用光纤跟踪双材料悬梁, 测试手段越来越先进。

2.2 存在的问题

尽管到目前为止,更小间距下物体的辐射传热测量仍然是该领域的一个主要目标。并且,由于扫描探针技术中使用的探针是利用MEMS工艺制作的,伴随着MEMS工艺和设备的发展以及更精密测量设备的开发,必将推动这一目标的逐渐实现。但是,该领域还存在一些问题亟待解决。

(1)尽管有人认为[6],只有扫描探针技术发明以后,才有可能测量距离表面为10 nm量级或者更小间隙下的近场热传递。但是,对于“微球-平面”结构,在理论计算过程中需要引入空间近似算法(Derjaguin近似方法),而该方法对于直径在微米级的微型球是否有效还存在不同意见,Chen教授认为该近似方法存在失效的情况,而Emmanuel等认为该近似方法有效。

(2)由于在“微球-平面”结构中,微球的尺寸很微小,即扫描探针的尺寸很微小。扫描探针作为接受辐射的传感器,在热通量相同的条件下,小的辐射接受面积将产生小的热量传递,被测信号也就很微小,目前已经到了纳瓦量级,这样,测量仪器的精度就制约了测量的进一步发展。

(3)尽管MEMS工艺和设备的发展促进了微型探针的研制,但现有技术条件下进行更微小探针的开发存在困难,制约了该领域的科研工作向主要目标进一步发展。

(4)在实际的微/纳器件中,近场辐射传热多发生在薄膜材料之间[28],但对于薄膜材料而言,扫描探针技术的操作难度巨大。

2.3 实验研究近场辐射传热的新思路

Chen教授和Tang教授等采取了具有固定间隙平行平面结构的策略。此策略既可以采用面积相对较大的平行平板结构作为研究对象,得到较大的被测信号,降低传感器精度的要求,减小周围环境对实验的影响,又可以依托先进的MEMS或者CMOS微加工技术,实现多个薄膜相互平行的结构。另外,相比通过填充具有低热导率的材料实现固定间隙的做法,MEMS或者CMOS工艺中的牺牲层技术,可以通过控制牺牲层厚度的方式实现薄膜间的多种间隙,具有更灵活更多样的优势,这为以薄膜为对象的近场辐射传热测量提供了一条新的研究途径。

3 结束语

器件的微小化趋势使得辐射传热的尺度效应更加明显,这种效应的研究在器件的热设计、提高热电器件的能量转换效率、提高显微镜的分辨率以及发展新的应用等方面有很重要的意义。

通过回顾从近场辐射传热的发现至今50多年的实验研究,在对其实验研究的方法和思路进行全面了解的基础上,人们针对实验研究薄膜间近场传热当前面临的困难提出了新的解决思路。这一领域测试技术的难题一旦被攻克,将会促进有关设备性能的大幅提高以及一批新器件的产生,也必将带来巨大的经济效益。另外,作为微观和宏观之间的桥梁,它还将加深人们对客观物理世界的认识。