智能微传感器与微系统教育部工程研究中心介绍

发布者:尹川发布时间:2022-03-11浏览次数:34

智能微传感器与微系统教育部工程研究中心介绍

一、研究方向

智能微传感器与微系统”教育部工程研究中心依托杭州电子科技大学电子科学与技术一级学科,主要在基础研究、应用基础研究和系统集成技术开发三个层次开展研究,凝聚学科内外相关研究人员,设置智能传感器件和智能传感应用两大研究方向。重点在传感机理和器件、传感电路、系统集成和应用等方面开展工作。范围覆盖从底层的基础研究到上层的应用技术,具有深入广泛、相互依托的研究层次(如下图所示)。

二、人员介绍

本工程中心共有人员120余名,其中固定人员50余人(含教授10人、副教授15人、年青博士25人),关联产业公司人员70余人。工程中心人员中国家级人才10人,50%拥有海外学习工作经历。工程中心近5年累计主持省部级以上科研项目46项;前期累计发表传感器相关SCI高水平论文140余篇,其中包括Nature子刊等二区以上论文30余篇;累计授权各类专利60余项,其中美国专利13项,中国发明专利50余项。工程中心近5年累计培育研究生170余人,大部分在华为、中兴、海康威视、大华等高科技公司就业,10余人获得国家奖学金。2018年成立杭州电子科技大学温州研究院,承担本工程中心成果孵化和产业化任务。工程中心秉承产学研紧密结合的建设宗旨,形成6项重要科研成果,7项重要产业化成果。


三、研究成果

本中心核心技术团队在浙江省重中之重一级学科(现为浙江省一流学科A类)“电子科学与技术”、“射频电路与系统”教育部重点实验室,“系统集成电路”工信部重点实验室、“工信部电子材料与器件”重点实验室、“大规模集成电路设计”浙江省重点实验室、“嵌入式系统”浙江省联合重点实验室、“物联感知与信息融合技术”浙江省重点实验室建设过程中,充分认识到基础研究、应用研究以及生产之间的相辅相成关系,形成了产、学、研、用相结合的研究理念,核心团队既有从事微传感器与微系统设计和先进制造研究背景的工科性研究人员,也有从事信息处理和设备开发、应用的系统工程企业研发人员,还有从事多年科研成果产业化和创业的企业家和管理专家,从而能较好的实现多学科交叉研究、多团队合作创新以及科研成果产业化和应用推广。鉴于此,团队围绕微传感器与微系统开发、测试、应用等关键环节,开展多方位的科研开发合作,并在微系统传感芯片、汽车传感器与监测系统、医用传感器与智慧医疗等方向形成既相互交叉合作又有相对独立性的产学研用研究团队。近年来总计获得授权发明专利76项,发表三大检索(SCI/EI/ISTP)论文500余篇,其中SCI收录论文200余篇。曾获国家自然科学二等奖、中国产学研合作创新奖、国际最佳传感器展会创新奖、爱尔兰企业局颁发的2012年度欧盟框架研究课题领导奖和2011爱尔兰年度工业技术专利授权大奖等奖项。

本中心成员在传感机理和器件、传感电路和集成、系统集成和应用研究上,取得了丰硕的研究成果。具体成果内容简要总结如下:

  • 传感机理和器件领域的代表性研究成果

1)在微纳声学器件的研究中,原创地提出和开发了基于表面声波的微流体器件。微泵、微混合器、传感器等,可实现从几百微升到皮升数量级液体操作,并基于此进一步实现了集成传感器和微流控制器的Lab-on-a-chip系统,在诊断和监控领域有着巨大应用前景。原创性地开发了柔性表面声波谐振器(Sci. Rep. 2013),并利用此开发了柔性SAW温度,湿度,紫外,应力传感器和柔性SAW微流控器件(APL, JMM, JMCC)。原创性地开发了基于任意基板上的FBAR制作技术,并成功地将FBAR器件制作和集成在柔性聚合物和纸板和各种刚性基板上(Sci. Rep. 2016),并利用此制作了温度,湿度,紫外传感器。开发了基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的温度,湿度,紫外和生物传感器。原创性地开发了用碳纳米管为电极的FBAR器件,并将其应用于有机气体和生物传感器中,以CNTs为电极的FBAR品质因子达到2000以上(SAB2012)。

2)在MEMS工艺与器件的研究中,开发了MEMS电镀工艺并且建立了模型,对MEMS器件集成化设计和工艺起到了极大的推动作用,保证了电镀MEMS器件与实际设计的器件高度吻合,该技术已在多家MEMS 代工厂使用。开发出当时(2012)世界上最小的纳米机械悬臂梁开关,原创性地开发了由加脉冲电流加热两层薄膜的纳米手和微型平面弹簧,微型机械锁,微型镊子等适用于微型传感器和系统的应用的机械结构。原创性地开发了薄膜型Zn/空气微电池,其单位体积和单位重量的能量密度都处于当期全球领先地位。

3)在射频/微波集成器件的研究中,取得了如下3项重要的研究成果:

发明了将小波分析与边界元法相结合的混合方法(HWBM),该方法被认为是将小波分析应用于计算电磁学领域的开创性研究成果,被该领域权威期刊的综述性文章及各类小波电磁理论的中英文教材广泛引用,是国际计算电磁学界小波电磁场计算方法的最主要开拓者之一。

首次提出了一种传输函数神经网络建模方法,并将其应用到复杂的射频/微波无源器件的宽带参数化建模中,开启了针对一些射频/微波新工艺、新电路采用传输函数代替等效电路、分析表达式建立参数化宽带模型新的研究方向。

在射频/微波集成电路设计软件PeakdesignPeakview中实现了世界上第一个真正用于商用的大容量、快速多层级全波电磁场分析算法,其用户包括世界上最大的射频芯片公司(例如QualcommTIBroadcom等)及集成电路制造商(例如TSMC)等等。

4)在半导体辐射探测、图像传感器件新结构的研究中,提出基于半浮栅晶体管(SFGT),相比传统探测器,其复位机制功耗更低、耗时更短、对器件造成的损伤更小(IEEE EDL, 2015)。半浮栅控驼峰二极管(SFGCD)的辐射剂量探测器在0-10 Gy吸收剂量范围,尤其是在0-1 Gy小剂量内表现出高线性度,具备在射线医疗领域的应用潜力(IEEE TED, 2016)。提出了双P阱的像素结构(SDW-SOI),分别用于收集电荷和探测电荷,很好地解决了传统SOI像素结构电荷收集与转换增益折中问题(IEEE TNS, 2016)。提出多阱像素结构(PAPT-SOI)抑制背栅效应,降低传感层与电路层之间串扰(IEEE SENS J, 2018)。提出了IAPT SOI探测器解决了传感层与电路间背栅效应、串扰、转换增益及抗辐射等问题,在X-ray成像领域拥有较好应用前景(IEEE TED, 2019)。

  • 传感电路和集成领域的代表性研究成果

1)在集成电路微纳器件及互连的研究中,主要研究成果包括:

首次利用带电粒子和全波电磁场的相互作用理论成功地对集成电路互连线中的非线性效应机制及电可调效应进行了严密和完整的研究,建立了集成电路互连线中包含非线性效应机制及电可调效应的等效电路模型,被国际权威性《国际半导体技术发展指南》20032005版大篇幅引用;

作为国际上将边界元方法应用于集成电路多导体传输线参数提取的先驱之一,1992年提出的基于边界元方法的参数提取算法已成为工业界集成电路互连线二维参数提取商用软件的参考标准及经典算例,被世界上多家的商用EDA软件公司(如SynopsysTanner Research)及美国国防部DARPA资助的MAGICAD集成电路设计平台作为电路参数提取软件包,并且广泛应用于集成电路建模与仿真软件工具中;

在有关集成电路设计标准的制订方面,作为核心成员参与了IEEE时延迟及功率计算语言标准的制订,提出并开发了时延及功率模拟的快速处理优化算法及软件工具;在作为国际工业标准的单元库.lib中引进了多项式表述功能及软件工具。

2)在硅上集成磁及片上集成电源的研究上,是全球完全集成电源技术的开拓者,成功在硅上集成高效电感及变压器等薄膜功率无源器件,在保证与CMOS工艺匹配的前提下,实现了器件的高品质因数和高效率,解决了未来全集成电源的设计的瓶颈难题,对传统低压小功率电源技术集成和小型化发展具有颠覆性影响,为未来的数字信息处理芯片及智能传感硬件系统提供了高效、微型和高集成度的电源解决方案,其中主要内容包含:

基于对器件二维电磁场分布规律分析,首次提出了创新的二维铜耗模型及基于磁性特性的磁芯损耗模型。与普遍采用的铜耗数学分析模型(DOWELL)相比,所创新的铜耗模型打破了一维磁场假设,基于对二维磁场的准确分析从而对器件的铜耗进行精准地计算。开发了全球第一套集成功率磁器件的设计仿真平台,使得与商用集成电路设计软件实现无缝对接并实现完全集成电源系统的优化设计奠定了扎实基础。

研发跟集成磁器件工艺匹配,同时性能上优于铁氧体的软磁薄膜材料,团队通过参杂高原子量元素对材料温度稳定性的影响以及反向脉冲电流波形对材料元素含量、矫顽力和电阻率的影响,实现矫顽力低于8A/m,电阻率高于150uOhm/cm,磁饱和接近0.8T的钴基纳米晶多层结构,以满足磁器件高频、高效和集成工艺匹配等要求,所在课题组的新型钴基纳米晶磁性材料已经成功转让给英特尔(INTEL)公司。

MEMS工艺研究过程中,主要开展了电化学沉积法进行了器件导体和磁芯的工艺研究,实现了大深宽比(81)导体、选择性材料腐蚀等拥有自主知识产权微纳工艺,不仅保证了磁器件可以在高频率下高效工作,同时所研究的先进工艺完全与普通半导体工艺匹配,从而为将来实现开关电源的片上完全集成奠定了很好的基础。

3)在传感器的自供能研究中,主要研究成果包括:

首次提出了相对极性机构电磁感应式能源采集器,实现了电磁感应式能源采集器的高能量密度,与AA型电池大小相当的能源采集器,可以依靠人体的正常运动而提供高达2.5 mW的电能,可替代传统电池为随身携带的低能耗理疗及消费电子产品提供电能。通过了能源采集及超低能耗能源管理系统的建模、设计和优化,实现了具有最大功率跟踪器、储能、稳压等多种功能的超低能耗电源管理系统(低于50μW能耗),达同类世界领先水平,首次成功实现完全基于室内光能采集电力自足式无线传感网,应用于室内能源使用的优化,从而达到节能效果。

创新性地提出了TENG的摩擦材料、器件结构设计以及应用方法,发表论文18篇(IF均大于10):提出利用摩擦材料表面掺杂改性、电荷预注入、结构设计等方法,大幅提升了TENG的输出功率(高达120W/m2),对微型能量采集器的材料优化方法起到了极大的推动作用;开发了基于电纺丝工艺的高性能的全可降解摩擦纳米发电机,探索了其在体液中应用的可行性;原创性的提出了对TENG进行频率调制的方案,增加了TENG可携带的信息量;开发了基于TENG的路径传感阵列、无线自供能力、湿度等传感器等应用,推动了TENG在无线传感网络中应用的可能性。

  • 微系统传感芯片应用成果

本团队已经在该领域研究二十多年。发明了新型MEMS热质量流量芯片并将其实用化,基于此种新型MEMS芯片,获得15项已授权专利(其中美国专利12项、中国专利3项),在美国硅谷创办的Intpax公司和Siargo公司,累计获得海外风险投资资金1000万美元,开发出多个系列的产品(如下图所示),可用于各类气体及微流体的流量和浓度的计量和测控,并作为主要单位起草国家标准GB/T 20727-2006《热式质量流量计》,为传统流体计量带来了根本性变革,所研发的流量计等产品均已批量生产,产值上亿元,其中燃气表系列产品线被香港上市公司中华燃气(Towngas)所并购。

1. MEMS流量传感芯片和产业化产品

  • 汽车传感器与监测系统应用成果

本团队已在该领域从事研究多年,主要致力于汽车传感器和车胎压力检测系统(TPMS)。基于自主研发的MEMS压力传感器,并结合智能监测技术开发出TPMS,在TPMSMEMS压力传感器方面共申请了十多项国内国际专利,特别是汽车胎压微传感器的发明填补国内空白,达到国际领先水平,谱写国内微压力传感技术新的一页。在此基础上,积极开展技术成果转化和企业孵化,利用南京“紫金人才计划”专项扶植创业资金,创建了南京来阳电子科技有限公司。目前,小车用4TPMS完成了设计、测试研究,现在已进入了小批量生产、试销阶段,汽车厂商对本团队提供的样品进行测试实验,并得到客户的广泛认可。

2. 压力开关式TPMS数显式TPMS和集成导航、倒车后视一体式TPMS

3. TPMS集成出口产品

  • 医用传感器与智慧医疗应用成果

本团队已在该领域从事研究多年,主要致力于医用传感器和智慧母婴系列产品的研发,基于自主研发的智能传感器技术,特别是多尺度加速度传感器和纳米高灵敏度压力传感器技术,并结合新一代互联网技术(物联网、移动互联网、大数据和云计算)、可穿戴技术等开发的智慧母婴系列产品,包括胎心胎动健康监护系统和智能排卵测试系统,已获得专利等拥有自主知识产权的技术成果20余项。产品均由智能传感器、母婴终端产品(胎心胎动监护仪或智能排卵测试仪)、手机APP和母婴医护云平台组成。在此基础上,积极开展技术成果转化和企业孵化:先后创建无锡矽鼎科技有限公司和江苏矽望电子科技有限公司。目前已在智慧医疗领域形成一定的影响力。

4. 智慧母婴产品


四、联系人及联系方式

依托高校:杭州电子科技大学

中心负责人:王高峰

电话:15257126679

联系人:陈世昌

电话:18868402233

传真:0571-86915133

电子邮件地址:eechensc@hdu.edu.cn

详细地址:浙江省杭州经济开发区白杨街2大街1158

邮政编码:310018