本成果重点开展多材料集成的特种传感功能光纤、微纳尺度及高性能光纤传感器研究，重点开展半导体、晶体、金属、纳米粒子材料混合集成传感功能光纤制备、三维微结构光纤传感器件等理论和核心技术研究，在电力系统特种传感光纤技术方面达到国际领先水平，实现了从“传感机理”到“特种光纤研制”、“关键传感器件”再到“光电探测系统”及“工程化应用技术”的原创性整体突破。 一、项目分类 关键核心技术突破 二、成果简介 针对高温、高压、强辐射等恶劣环境及微纳尺度环境的微弱多参量检测中的关键科学问题，本成果重点开展多材料集成的特种传感功能光纤、微纳尺度及高性能光纤传感器研究，重点开展半导体、晶体、金属、纳米粒子材料混合集成传感功能光纤制备、三维微结构光纤传感器件等理论和核心技术研究，在电力系统特种传感光纤技术方面达到国际领先水平，实现了从“传感机理”到“特种光纤研制”、“关键传感器件”再到“光电探测系统”及“工程化应用技术”的原创性整体突破。 针对高压局部放电微弱荧光可靠探测难题，首次提出了铈铽掺杂石英荧光光纤传感技术，研制出铈铽共掺荧光增强石英光纤，解决了荧光探测灵敏度低、传感材料可靠性差的问题。针对高压环境下高灵敏温度探测难题，首次提出了硫化铅纳米掺杂温敏传感光纤技术，并研制出高灵敏度光纤光栅温度传感器，实现了对电力系统关键装备的在线监测及故障预警。研制出高压电缆及关键设备的局部放电在线监测系统，攻克了信号衰落误报、局部放电声发射信号增敏检测等难题。

西安科技大学矿山岩体光纤智能检测研究室自 2006 年开始对松散地层沉降变形的光纤光栅检测技术及方法进行研究，开发出了替代传统应变测量系统和电类传感器的光纤光栅传感监测系统，用以监测松散地层沉降过程。目前此项技术已经逐渐成熟并在华东地区开始推广 , 在山东省兖州煤业集团的济宁三号煤矿、鲍店煤矿、东滩煤矿成功应用，在厚度 100-178m 的松散地层含水层沉降治理中取得良好效果，获得中国煤炭工业协会 “ 中国煤炭工业科学技术二等奖 ” 一项 ,“ 济宁市科学技术二等奖 ” 一项。

1.系统组成： 光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅波长解调仪、光纤光栅数据采集及分析软件、微型计算机等组成。 2.技术性能： 光纤光栅应变传感器采用自主开发的封装方式将光纤光栅封装于1.2mm不锈钢管内部。实验表明，该传感器测量灵敏度达到了1.2pm/με。采用多层钢管封装的光纤光栅温度传感器其灵敏度达到了30 pm/℃。自主开发的光纤光栅数据采集及分析软件，可以及时有效的对数据进行自动分析。 3.先进性及知识产权： 本项目是大连理工大学结构健康监测与控制中心自主知识产权的科研成果。目前，是国内光纤光栅传感系统领域比较先进的成熟技术。使用本技术可在光纤光栅传感器行业实现工艺、技术、设备的国产化，为传感系统领域的产品生产，大幅降低成本，提高可靠性和后续技术支持，增加经济效益起到关键作用。

产品详细介绍

研发生产的半球谐振微陀螺、圆盘多环微陀螺等10多款高性能、小尺寸、高可靠性MEMS微惯性传感器，达到惯性级，在微小卫星、微航天器等场合极具应用潜力。与传统的微陀螺相比，该陀螺无运动部件，抗冲击性更好；同时该陀螺可以采用角速度检测和角速度积分检测两种工作模式，极大的提升了其应用场合与范围。

高性能低噪声海洋声/矢量传感器是一款专为海洋环境监测、海底油气资源勘探设计研发的高性能声学传感器。团队凭借丰富的海洋声/矢量传感器设计经验，提出了“材料-结构-系统”一体化闭环式设计，突破了声-电低噪声耦合技术，结合先进的电子技术与海洋声信号处理技术，创新工艺，充分发挥新一代高性能压电材料的性能优势，从根本上提升了传感器综合性能。 该传感器具有超低的自噪声，在相同测试条件下，与常规同类型传感器相比有接近15dB的信噪比提升。相关技术打破了国外同类技术封锁，处于国内领先、国际先进水平，对提升我国海洋装备性能具有重要的意义。该传感器现已成功应用于小尺度矢量声呐、探测浮标声呐系统、海底地震仪等海洋装备。

硅芯片是当代信息技术的核心，当前正向“深度摩尔”（More Moore）和“超越摩尔”（More than Moore）两个方向发展。物联网（IoT）应用是“超越摩尔”技术路线中相当重要的一环，需要数量巨大的集成电路芯片来分析处理来自外部传感器件的海量信号。目前，大多数传感信号采集器件和信号处理单元均为分离设计，将在整体上产生更大功耗并占据更大的空间。由此，复旦大学材料科学系教授梅永丰课题组提出了将信号检测和分析功能集成于同一个芯片器件中的全新概念。作为演示，研究团队将单晶硅薄膜柔性光电晶体管与智能薄膜材料相结合和组装，构造了对不同环境变量进行检测和分析的柔性硅芯片传感器及其系统。这一思路不仅具有优异的可扩展性，还可与当前集成电路先进制造工艺相兼容。5月2日，相关研究结果以《面向智能数字灰尘的硅纳米薄膜光电晶体管多功能集成传感器研究》（“Silicon Nanomembrane Phototransistor Flipped with Multifunctional Sensors towards Smart Digital Dust”）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上。研究团队从器件的传感机理入手，利用柔性薄膜组装集成芯片传感器，实现了多种环境参数探测功能的集成。图1：(A) 器件主要功能层示意图；(B) 贴附于曲面上的柔性传感器件阵列；(C) 智能传感器件功能区的光学显微照片；(D)用于湿度传感的集成系统构造图；(E) 氢气通入前后参比器件与检测器件的电流变化，红色为参比电流，蓝色为检测电流。智能材料在环境刺激中可以发生折射率、颜色、晶体结构等方面的光学性质变化，但一般需要光谱设备或比色卡才能进行比对。而翻转的硅薄膜光电晶体管由于没有栅极金属阻挡功能区域的光信号吸收，可以更容易获得高灵敏的传感特性。利用这一点，研究团队将多种智能薄膜材料贴合在器件功能区，智能材料内部物理性质变化引起了微小光学性能改变，从而表现在输出的光电流上，因此可以在同一个芯片上实现对多种不同信号的同时检测。图1A展示了传感器件典型的功能层结构，顶层的智能薄膜材料对环境刺激发生响应，进而改变下方硅单晶薄膜光电晶体管的输出信号。具有2微米厚的热氧化二氧化硅层则作为光电晶体管的封装，对下方器件进行保护。硅薄膜光电晶体管完全由晶圆级先进集成电路工艺方法制备而成，结合了传统硅基光电子器件的高性能和硅纳米薄膜超薄厚度下的优良柔性。图1B是贴附于半径仅为2毫米直径玻璃管上的柔性器件阵列，表现出良好的弯曲性能。图1C是单个器件功能区域的特写，在蓝色虚框部分集成不同智能材料即可实现对不同环境信号的检测。图1D是具有完备传感与数据处理功能的柔性系统合成图，包括传感与参比器件、逻辑与存储单元、信号放大器和电源。研究团队利用该系统实现了对环境中湿度的实时、快速检测，演示的信号为依次减小的三个湿度脉冲。整个过程中直接对环境变化做出响应的信号，即参比器件与传感器件输出电流随时间的变化如图1E中所示。当环境发生变化（如图所示通入氢气），传感器件的输出电流大幅增加，而参比电流保持平稳，再利用差分电路处理，即可给出所检测的环境参数的值。研究团队开发了将智能材料与光电传感结合的新颖传感机制，并将传感模块与后续信号处理等模块集成在一起，展示了其在气体浓度、湿度、温度等多种环境参数检测方面的能力，已经初步具备了未来的“智能数字灰尘”的雏形。该策略也可以应用于其他的数字传感系统，在后摩尔时代中将具有巨大的应用潜力。论文主要由李恭谨博士，博士研究生马喆和尤淳瑜合作完成，并获得韩国延世大学Taeyoon Lee教授和中科院微系统所狄增峰研究员的合作支持。该工作得到国家自然科学基金委、上海市科委、复旦大学和专用集成电路与系统国家重点实验室等大力支持。

（ (A) 器件主要功能层示意图；(B) 贴附于曲面上的柔性传感器件阵列；(C) 智能传感器件功能区的光学显微照片；(D)用于湿度传感的集成系统构造图；(E) 氢气通入前后参比器件与检测器件的电流变化，红色为参比电流，蓝色为检测电流 ）

成果创新点 1.温飘、分辨率、稳定性等指标具有国际领先水平； 2.温度自补偿技术、信号源漂移自矫正技术、噪声抑 制技术等是主要创新点。 技术成熟度 小试中试阶段 市场前景 可用在大型天文望远镜中作为边缘传感器；可以用在 精密车床、电子显微镜、原子力显微镜、共焦显微镜等中。 转化计划 预期转化方式：自主转化寻求投资，已于天使基金接 触。

 1.温飘、分辨率、稳定性等指标具有国际领先水平； 2.温度自补偿技术、信号源漂移自矫正技术、噪声抑制技术等是主要创新点。