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1.声学MEMS器件与系统
PMUT作为高端超声检测仪器的核心传感部件,近年来在手势识别、距离测量、流量检测、无损检测、医学成像等领域有着巨大需求,牟笑静教授团队研发的基于AlN材料的MEMS压电薄膜超声换能器应运而生。相较于其它超声换能器,MEMS压电薄膜超声换能器与 CMOS 工艺兼容良好,制备过程绿色环保,声匹配性相对较好,具备较高性能表现以及较低的能量损耗。本团队在压电超声换能器领域有着扎实的理论基础、丰富的技术积累以及成熟的芯片制备能力。随着超声换能器向小型化、阵列化、低成本和高集成度的方向发展,伴随着新兴应用、制造能力和技术储备对超声换能器“起飞”的助推,沿着国家科学仪器发展战略的道路,超声换能器必将打破国外的技术垄断,实现我国芯片发展的全面启航。
 



2.微能源技术
牟笑静教授及微能源技术团队长期致力于高功率密度微能源系统技术的研究,团队学术氛围活跃,注意紧跟国际科学前沿,在蓝色能源采集、微纳换能器件研究、高表面电荷密度材料制备、低功耗智能化电源管理电路设计等方面有着深厚的理论基础和丰富的技术经验积累,同时拥有适用于微能源技术开发的优越的实验平台和成熟的加工技术。近年来获得国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项,国家自然科学基金委基金项目以及中国航天科技集团相关项目的资助,取得了大量研究成果。相关研究成果已公开发表在《IEEE Electron Device letters》(2014,35(2), 271-273),《Scientific Reports》(2016, 6, 35180),《Advanced Materials》(2015,27(2),240-248),《ACS Nano》 (2015,9(10),9554-9563),《Nano Energy》(2020,69,104440),Nano Energy (2020,72,104684),《Nanoscale》(2018,10,19781),《Nano Research》(2016,9 (12) : 3714-3724) 等国际权威学术期刊以及领域内国际顶级学术会议 IEEE MEMS和Transducer上,并申请国际专利 3 项,美国专利 1 项,中国专利 12 项,其中MEMS 风致振动能量收集芯片获得“2014 年新加坡科学研究局科学技术委员会十大技术突破”称号,牟教授所在团队也因此获得“2014 年新加坡国家级杰出工程成就奖。同时牟教授及其微能源研究团队还长期致力于微能源系统技术的应用化及成果转化工作研究,先后在煤机装备的智能监测,国家电网设备的智能巡检以及水下无人潜航器的随体发电技术等领域取得了一系列阶段性成果,对国防安全建设、地方经济蓬勃发展具有重要意义。


3.微纳光学器件与系统
  目前,微纳光学材料和器件技术领域的研究日新月异。集成光学器件技术、微纳加工技术、纳米材料技术及光学薄膜器件技术等学科的交叉和融合极大地推动了光电子技术研究的发展。光学器件在光通讯、光传感等众多领域实现了广泛的应用和发展,并拓展到传感、光存储、成像和信息处理等众多领域。课题组针对当前日益严峻的大气污染形式,利用基于超材料技术的微纳光学器件开发实时、稳定、高效、准确的气体传感器,实现对煤矿井下危险气体的实时预警、工业废气的安防监控、环境气体的信息采集,以满足民用、工业、环境检测等各领域的应用需求。当前研究的重点集中在红外气体传感所需的光源和探测器上。具体如下:
(1)红外光源的开发:目前,红外气体传感器的光源主要分为黑体辐射光源、激光光源和发光二极管(LED)光源三类。黑体辐射光源因其成本低、体积小、与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的特点被广泛采用,但也存在辐射光谱带宽宽、需要滤波片、能源利用率低的缺点;激光光源虽然可以实现窄带响应,但因其体积大、系统复杂、成本高的缺点,严重限制了激光光源在消费类电子市场领域的普及;LED光源虽然具有成本低、窄带宽和功耗小的特点,但其光源结构复杂且光源易受温度影响,需内置热电制冷模块,增加了系统的复杂性。因此,迫切需要开发新型光源。
(2)红外探测器的开发:探测器作为红外气体传感的另一核心部件,其性能直接影响着红外检测仪器的灵敏度、响应速度和稳定性。目前,探测器按实现方式不同主要分为薄膜微音/微流探测器、光电二极管(PD)和热式探测器三种。薄膜微音/微流探测器主要利用了被测气体吸收光能后产生的光声效应,具有很高的灵敏度,但其成本高、制作复杂、不具有通用性,逐渐被其他方式取代;PD管同样具有较高的灵敏度,但需要与LED光源配合使用,且存在工艺要求高、受温度影响大的缺陷;热式探测器具有结构简单和稳定性好的特点,得到广泛应用,但存在灵敏度低、频谱响应宽、需集成滤波片等缺点,需进一步优化和完善。因此,迫切需要开发新型探测器,以满足当前红外气体检测器的需求。
以上述研究内容为主线,课题组进行了一系列基础性研究和产业化尝试,取得了一系列成果:发表相关SCI期刊和会议论文9篇,申请相关专利7项,相关成果在中国国际智能产业博览会和中国江苏产学研合作大会展出,获得中国产学研合作创新成果奖1次。

 


4.极端环境类传感器与系统
  为突破压力、振动、温度传感器在高温铸造等行业中的应用,科技部将面向工业制造装备检测应用的多功能MEMS传感器列为先进制造技术领域的重点研究对象,高温极端环境下的传感器测试技术是目前高端装备制造业亟待解决的重大技术问题。在航空航天、石油化工、武器装备以及汽车能源等工业领域,有大量核心构件在高温环境下工作,许多还要承受疲劳载荷、应力腐蚀等复杂条件,这些恶劣环境会加速构件的高温失效。对处于工作状态中的高温构件进行实时健康监测,检测其高温蠕变和损伤程度,可以有效地保障安全生产和提高经济效益。
  例如,在航空发动机研制中,测量涡轮叶片根部和火焰筒的应变,以便能预先确定发动机各部件的低循环疲劳的关系;在高超声速飞行器的研制过程中,需要在电弧风洞模拟的高热环境下测量飞行器前缘结构的高温应变,试验应变测量温度可超过600℃;对火力发电厂的主蒸气管道进行高温应力测量,工作温度高达 550℃;对大型浇筑料的应变测量,工作温度高达 750℃。
在极端环境下高温压力传感器的研究领域,具有以下几点发展趋势:
(1)使用耐高温的压力传感器材料,包括SOI材料、SiC衬底材料、蓝宝石衬底材料、AlN陶瓷材料、AlN压电薄膜材料等;
(2)小型化、集成化、智能化、系统化;
(3)无线无源化;
(4)数字化。
  基于声表面(SAW)技术的压力传感器包含以上四大特点,并且与CMOS工艺兼容,适用于喷气式发动机、坦克发动机、舰船发动机等燃烧室内部的压力测量,火箭、导弹、卫星等耐热腔体和表面各部分的压力测量,宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制,高速飞行器或远程超高速导弹的飞行控制等。因此,基于声表面波(SAW)的传感技术在以上极端环境中的应用具有重大优势,有望解决尖端装备中“卡脖子”的传感芯片难题。此外,氮化铝压电薄膜材料已被实验验证耐受高达18.7MGy的伽马辐射,以及高达1000℃的环境温度。氮化铝在众多独立研究中被明确引用为高度耐辐射的材料,因此,基于氮化铝压电材料的SAW传感器也有望解决核工业环境参量传感方式与核电厂技术发展需要之间的矛盾,突破核能向数字化、智能化发展的瓶颈。

 
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Xiaojing Mu Team Leader, Professor

College of Optoelectronic Engineering Chongqing University No. Shazheng St.174, Shapingba, Chongqing 400044 Email: mxjacj@cqu.edu.cn; mxjacj@outlook.com

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