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目前，國(guó)產(chǎn)集成電路“缺芯少減”的現(xiàn)象非常嚴(yán)重，特別是在編程邏輯器件被美國(guó)幾家著名大公司所壟斷.國(guó)內(nèi)與固外差距巨大，可編程器件目前廣泛應(yīng)用于通信航天航空導(dǎo)航遙感遙測(cè)。大的應(yīng)用需R和發(fā)展前展。本項(xiàng)目針對(duì)嵌入了處理器的SoPC芯片(SystemonPogrammableChip)具有該現(xiàn)狀，與成都華微公司合作,研制了完全自主可控的SoPC芯片。

硅芯片是當(dāng)代信息技術(shù)的核心，當(dāng)前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個(gè)方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用是“超越摩爾”技術(shù)路線中相當(dāng)重要的一環(huán)，需要數(shù)量巨大的集成電路芯片來(lái)分析處理來(lái)自外部傳感器件的海量信號(hào)。目前，大多數(shù)傳感信號(hào)采集器件和信號(hào)處理單元均為分離設(shè)計(jì)，將在整體上產(chǎn)生更大功耗并占據(jù)更大的空間。由此，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授梅永豐課題組提出了將信號(hào)檢測(cè)和分析功能集成于同一個(gè)芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團(tuán)隊(duì)將單晶硅薄膜柔性光電晶體管與智能薄膜材料相結(jié)合和組裝，構(gòu)造了對(duì)不同環(huán)境變量進(jìn)行檢測(cè)和分析的柔性硅芯片傳感器及其系統(tǒng)。這一思路不僅具有優(yōu)異的可擴(kuò)展性，還可與當(dāng)前集成電路先進(jìn)制造工藝相兼容。5月2日，相關(guān)研究結(jié)果以《面向智能數(shù)字灰塵的硅納米薄膜光電晶體管多功能集成傳感器研究》（“Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust”）為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。研究團(tuán)隊(duì)從器件的傳感機(jī)理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實(shí)現(xiàn)了多種環(huán)境參數(shù)探測(cè)功能的集成。圖1：(A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學(xué)顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測(cè)器件的電流變化，紅色為參比電流，藍(lán)色為檢測(cè)電流。智能材料在環(huán)境刺激中可以發(fā)生折射率、顏色、晶體結(jié)構(gòu)等方面的光學(xué)性質(zhì)變化，但一般需要光譜設(shè)備或比色卡才能進(jìn)行比對(duì)。而翻轉(zhuǎn)的硅薄膜光電晶體管由于沒(méi)有柵極金屬阻擋功能區(qū)域的光信號(hào)吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)將多種智能薄膜材料貼合在器件功能區(qū)，智能材料內(nèi)部物理性質(zhì)變化引起了微小光學(xué)性能改變，從而表現(xiàn)在輸出的光電流上，因此可以在同一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)。圖1A展示了傳感器件典型的功能層結(jié)構(gòu)，頂層的智能薄膜材料對(duì)環(huán)境刺激發(fā)生響應(yīng)，進(jìn)而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號(hào)。具有2微米厚的熱氧化二氧化硅層則作為光電晶體管的封裝，對(duì)下方器件進(jìn)行保護(hù)。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級(jí)先進(jìn)集成電路工藝方法制備而成，結(jié)合了傳統(tǒng)硅基光電子器件的高性能和硅納米薄膜超薄厚度下的優(yōu)良柔性。圖1B是貼附于半徑僅為2毫米直徑玻璃管上的柔性器件陣列，表現(xiàn)出良好的彎曲性能。圖1C是單個(gè)器件功能區(qū)域的特寫(xiě)，在藍(lán)色虛框部分集成不同智能材料即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同環(huán)境信號(hào)的檢測(cè)。圖1D是具有完備傳感與數(shù)據(jù)處理功能的柔性系統(tǒng)合成圖，包括傳感與參比器件、邏輯與存儲(chǔ)單元、信號(hào)放大器和電源。研究團(tuán)隊(duì)利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中濕度的實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)，演示的信號(hào)為依次減小的三個(gè)濕度脈沖。整個(gè)過(guò)程中直接對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)的信號(hào)，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時(shí)間的變化如圖1E中所示。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化（如圖所示通入氫氣），傳感器件的輸出電流大幅增加，而參比電流保持平穩(wěn)，再利用差分電路處理，即可給出所檢測(cè)的環(huán)境參數(shù)的值。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了將智能材料與光電傳感結(jié)合的新穎傳感機(jī)制，并將傳感模塊與后續(xù)信號(hào)處理等模塊集成在一起，展示了其在氣體濃度、濕度、溫度等多種環(huán)境參數(shù)檢測(cè)方面的能力，已經(jīng)初步具備了未來(lái)的“智能數(shù)字灰塵”的雛形。該策略也可以應(yīng)用于其他的數(shù)字傳感系統(tǒng)，在后摩爾時(shí)代中將具有巨大的應(yīng)用潛力。論文主要由李恭謹(jǐn)博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國(guó)延世大學(xué)Taeyoon Lee教授和中科院微系統(tǒng)所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委、復(fù)旦大學(xué)和專(zhuān)用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等大力支持。

（ (A) 器件主要功能層示意圖；(B) 貼附于曲面上的柔性傳感器件陣列；(C) 智能傳感器件功能區(qū)的光學(xué)顯微照片；(D)用于濕度傳感的集成系統(tǒng)構(gòu)造圖；(E) 氫氣通入前后參比器件與檢測(cè)器件的電流變化，紅色為參比電流，藍(lán)色為檢測(cè)電流 ）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）電子與信息工程學(xué)院的徐科副教授、姚勇教授與其合作者，針對(duì)光通信芯片集成度受限的問(wèn)題，通過(guò)光波導(dǎo)模場(chǎng)的精細(xì)調(diào)控，在實(shí)現(xiàn)多模波導(dǎo)低損耗和低串?dāng)_的同時(shí)，將關(guān)鍵器件的尺寸縮小了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。芯片支持3×112 Gbit/s高速模分復(fù)用信號(hào)的任意緊湊布線，使多模光學(xué)系統(tǒng)的大規(guī)模片上集成成為可能。該成果將進(jìn)一步助力集成光子芯片在光通信、人工智能、高性能計(jì)算、量子信息等眾多高新領(lǐng)域中加速發(fā)展和應(yīng)用。

成果介紹重金屬離子污染是影響人類(lèi)生命健康及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題之一。方便、快捷低成本的重金屬離子檢測(cè)方法及裝置的研發(fā)仍然是分析化學(xué)及儀器分析領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的低成本紙基微流控芯片逐漸引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，如何將紙基微流控芯片負(fù)載熒光染料后用于高通量篩查水質(zhì)中的重金屬離子，并且可以方便快捷的分析檢測(cè)結(jié)果仍然是一大難題。基于上述挑戰(zhàn)，本項(xiàng)目擬研制基于紙基微流控芯片重金屬離子檢測(cè)集成裝置，并建立相關(guān)分析方法及分析標(biāo)準(zhǔn)曲線。在檢測(cè)的過(guò)程中紙基微流控芯片可以顯示不同強(qiáng)度的熒光和顏色，然后利用智能手機(jī)通過(guò)集成裝置捕獲光學(xué)信號(hào)，最后通過(guò)建立的分析曲線快速分析樣品中重金屬離子的含量。從而實(shí)現(xiàn)重金屬離子高通量快速篩查與定量分析。技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及參數(shù)本項(xiàng)目的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于使用紙基微流控芯片成本較低；負(fù)載熒光染料后分析快捷方便無(wú)需樣品預(yù)處理；熒光染料熒光強(qiáng)度及顏色變化明顯靈敏度高；使用微型集成裝置及智能手機(jī)捕獲光學(xué)信號(hào)可現(xiàn)場(chǎng)快速分析檢測(cè)；集成裝置可通過(guò)3D打印制作費(fèi)用較低；檢測(cè)過(guò)程無(wú)需大型儀器操作簡(jiǎn)單能耗低等。現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)是野外水質(zhì)重金屬離子污染檢測(cè)的需求之一，利用研發(fā)的集成裝置搭載微型電源即可完成野外現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)，通過(guò)預(yù)先建立的分析標(biāo)準(zhǔn)曲線可定量檢測(cè)水體中的重金屬離子含量。另外如果開(kāi)發(fā)分析軟件，建立手機(jī)內(nèi)部的分析應(yīng)用程序即可完成用手機(jī)獲取光學(xué)信號(hào)后直觀方便的讀出分析數(shù)據(jù)，可以快速方便的分析較大的樣品量。市場(chǎng)前景目前重金屬離子檢測(cè)主要依賴(lài)大型儀器分析，存在樣品預(yù)處理繁瑣、分析儀器操作復(fù)雜、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等缺點(diǎn)。本項(xiàng)目研發(fā)的基于紙基微流控芯片重金屬離子檢測(cè)集成裝置可彌補(bǔ)上述缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)方便、快捷、低能耗、低成本的高通量快速分析檢測(cè)的目標(biāo)，并可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。這一裝置將為野外的水質(zhì)重金屬離子污染檢測(cè)提供方便快捷的檢測(cè)策略。

基于分布式芯片驅(qū)動(dòng)的 LED 集成化照明模組，將驅(qū)動(dòng)與光源集成為一體化標(biāo)準(zhǔn)模組，克服了開(kāi)關(guān)電源的電解電容壽命瓶頸、可靠性差、成本高等缺點(diǎn)，具有可靠性高、 壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模塊化設(shè)計(jì)、安裝方便、免維護(hù)、智能化、成本低等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、Zigbee、 LoRa 等無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智慧城市照明系統(tǒng)，通過(guò)精細(xì)化運(yùn)營(yíng)管理，可達(dá)到 70%的節(jié)能減排效果。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片化、模組集成化、通訊無(wú)線化、軟件智慧化、系統(tǒng)物聯(lián)化。 

本項(xiàng)目針對(duì)國(guó)內(nèi)高端光電子器件嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口的現(xiàn)狀問(wèn)題，自主研制Tb/s級(jí)以上 PDM-16QAM的硅基大規(guī)模陣列集成相干光接收芯片。根據(jù)本研究組在硅基集成光電子器件、偏振控制器件、光混頻器等方面的建模仿真、制備測(cè)試基礎(chǔ)，依托“先進(jìn)電子材料與器件”校級(jí)平臺(tái)的先進(jìn)半導(dǎo)體加工能力，制備了高偏振消光比的偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器，高相位精度的90度混頻器，大帶寬高響應(yīng)度的探測(cè)器陣列，高效硅基芯片-光纖耦合，以及可調(diào)光功率衰減器。 通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，在硅基光接收集成芯片、高端光電子器件及其大規(guī)模集成的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域有所突破，建立關(guān)鍵工藝技術(shù)與器件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，形成硅基光電子器件標(biāo)準(zhǔn)加工工藝流程，實(shí)現(xiàn)高端光電子器件的自主制備,改變了我國(guó)硅基光電子器件技術(shù)無(wú)償?shù)叵驀?guó)外轉(zhuǎn)移的歷史，縮短我國(guó)光子集成技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，提升我國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。部分成果獲得2014年度上海市發(fā)明二等獎(jiǎng)。

在光通信傳輸過(guò)程中，發(fā)射端將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出激光束，通過(guò)光纖傳遞，在接收端接收到光信號(hào)后再將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后變?yōu)樾畔ⅲ怆娦酒鸬降淖饔镁褪牵瑢?shí)現(xiàn)電信號(hào)和光信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，是光電技術(shù)產(chǎn)品的核心，處于光通信領(lǐng)域的金字塔尖。

深入了研究低電壓芯片電泳的理論原理和控制方法，開(kāi)展了低電壓電泳分離檢測(cè)相關(guān)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵加工技術(shù)的研究。通過(guò)芯片微流道中流體的電場(chǎng)和流場(chǎng)等的模擬分析，對(duì)低電壓電泳芯片進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出集成非接觸高頻電導(dǎo)檢測(cè)器的硅基低電壓電泳芯片和玻璃基低電壓電泳芯片的新結(jié)構(gòu)；突破了SOI硅基芯片側(cè)壁微電極陣列及其與高頻非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器一體化三維集成等關(guān)鍵加工技術(shù)，研發(fā)出基于SOI的集成低電壓電泳芯片和集成光學(xué)濾色薄膜的玻璃基低電壓電泳芯片的兩套加工工藝；成功研制出柱端集成非接觸高頻電導(dǎo)檢測(cè)器的兩種低電壓電泳芯片

1 成果簡(jiǎn)介隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染、疾病監(jiān)測(cè)、食品安全等民生熱點(diǎn)日益受到人們的關(guān)注。如何對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速的監(jiān)控，將一些危害降至最低，保障人民生活和生產(chǎn)，這就需要一種可實(shí)時(shí)實(shí)地檢測(cè)、操作簡(jiǎn)便的多應(yīng)用傳感器件。 表面等離子體波（ SPP）傳感器是一種基于光學(xué)檢測(cè)的傳感器件，被廣泛用于藥物篩選、食物檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和細(xì)胞膜模擬等方面。相對(duì)于目前常見(jiàn)的化學(xué)、電子、力學(xué)等傳感器，SPP 傳感器擁有實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)需標(biāo)記、對(duì)被檢測(cè)物無(wú)損害、探測(cè)方法簡(jiǎn)單等眾多優(yōu)點(diǎn)。為了降低成本、 穩(wěn)定性能、減小體積，集成型 SPP 傳感器件的成為了現(xiàn)今研究熱點(diǎn)。然而現(xiàn)有的集成型 SPP 傳感器件普遍存在靈敏度低，探測(cè)范圍小等問(wèn)題，限制了其應(yīng)用的推廣。 課題組從 2006 年開(kāi)始合作從事集成型 SPP 傳感器件研究，在清國(guó)家 973 項(xiàng)目、自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、教育部清華大學(xué)自主研究項(xiàng)目等項(xiàng)目資助下， 創(chuàng)新性提出一種基于 SPP-介質(zhì)波導(dǎo)異質(zhì)垂直耦合器的可集成生化傳感芯片，并對(duì)傳感芯片的傳感特性和應(yīng)用進(jìn)行了深入研究和探索。芯片的特點(diǎn)和性能如下：可集成，芯片體積小，可與便攜設(shè)備集成；可批量生產(chǎn)，價(jià)格低廉；靈敏度較傳統(tǒng)的集成型 SPP 傳感器件高出一個(gè)數(shù)量級(jí)；可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感區(qū)域的精確或者大范圍調(diào)節(jié)；可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米量級(jí)大小的物質(zhì)的探測(cè)；傳感性能穩(wěn)定，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。上述優(yōu)點(diǎn)表明該芯片可以工廠大批量生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)，也可以用于實(shí)驗(yàn)室的科研研究，在化學(xué)，生物，醫(yī)學(xué)等多 個(gè)領(lǐng)域均有應(yīng)用價(jià)值。查新表明，國(guó)內(nèi)外目前尚未發(fā)現(xiàn)有相似原理的器件。 圖 1 (a) 集成型 SPP 傳感芯片與一元硬幣尺寸對(duì)比圖 (b) 傳感芯片的顯微鏡照片2 應(yīng)用說(shuō)明可集成型 SPP 生化傳感芯片在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)多次驗(yàn)證，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)折射率液體以及納米級(jí)薄層物質(zhì)的高靈敏探測(cè)，并初步應(yīng)用于對(duì)雙酚 a（簡(jiǎn)稱(chēng) BPA，一種塑料生長(zhǎng)常用原料，每年生產(chǎn)將近 2700 萬(wàn)噸含 BPA 的塑料類(lèi)物質(zhì)， BPA 具有胚胎致畸性和致毒性）的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該芯片對(duì)于 BPA 的探測(cè)極限濃度可以達(dá)到 0.1ng/ml （歐盟公布食品準(zhǔn)則中水含有BPA 的最高濃度為 1ng/ml）。3 效益分析由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品， 而且此產(chǎn)品在疾病檢驗(yàn)，環(huán)境監(jiān)測(cè)，藥品鑒別等多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值， 因此本儀器具有較大的市場(chǎng)推廣空間。本傳感芯片價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)便，對(duì)樣品無(wú)二次污染，性能穩(wěn)定，甚至對(duì)納米量級(jí)的生化小分子探測(cè)均具有高靈敏度，相對(duì)于其他類(lèi)型的傳感器件， 具有明顯的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。