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柔性薄膜组装集成芯片传感器
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。
复旦大学 2021-04-11
柔性薄膜组装集成芯片传感器
( (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 )
复旦大学 2021-01-12
磁敏电阻芯片及系列传感器
磁敏电阻芯片及相应传感器的开发与应用是磁敏传感技术近二十年来最蓬勃发展并实现产业化的新兴分支。1.我们研制的高分辨率(1000~4000脉冲/360º)磁编码器(国家自然科学基金项目)其关键技术指标频率响应达300KHz,超过国外同类产品的30%,是光学编码器频响的3倍。2。我们生产的具有判向功能、从0~数万转速的测速传感器,具有信号无接触测量,无触点、无磨损、无噪声、使用寿命长,分辨高,检测距离远、频率响应宽达到0-200KHZ、性能明显优于光电测速传感器和电感测速传感器。已成功替代纺织进口设备传感器3。无触点磁敏电位器(北京市自然科学基金项目)已获得过国家专利,该产品内部具有信号无接触测量,使用寿命长,分辨率高,转动力距小,高频响应特性好,抗干扰能力强,适用于油、水、粉尘等惡劣环境的特点。4。最新结构的倾斜角传感器(建设部项目),已申报国家发明专利,信号感应检测无磨损   无电噪声 、高可靠性、高分辨率、 高稳定性、特别适用于运动频繁要求使用寿命长的场合,环境适应性强,可用于潮湿、油污、粉尘、盐污、露天等多种工业场合。  
北京科技大学 2021-04-11
磁随机存储器芯片(STT-MRAM)器件
已有样品/nSTT-MRAM 是一种极具应用潜力的下一代新型存储器解决方案。由于采用了大量的新材料、新结构,加工制备难度极大。当前,美韩日三国在该项技术上全面领先,很有可能在继硬盘、DRAM 及闪存等存储芯片之后再次实现对我国100%的垄断。微电子所集成电路先导工艺研发中心研究员赵超与北京航空航天大学教授赵巍胜的联合团队通过3 年的艰苦攻关,在STT-MRAM 关键工艺技术研究上实现了重要突破,在国内首次采用可兼容CMOS 工艺成
中国科学院大学 2021-01-12
单芯片高光束质量光子晶体激光器
可以量产/n波长范围905-1064nm、水平、垂直发散角<10度;直流输出功率>5W;窄脉冲输出功率>20W;光子晶体激光器模块窄脉冲输出功率>130W;并与传统半导体激光器工艺相兼容。此外还开展了808nm、980nm和1064nm等波段光子晶体激光器研究。“先进半导体光子晶体激光器技术研究”获得2013年度北京市科学技术奖二等奖,光子晶体高功率高亮度激光器被评为“2014中国光学重要成果”。市场预期:半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域,已成为当今光电子科学的核
中国科学院大学 2021-01-12
芯片热设计自动化系统
TDA(芯片热设计自动化)软件是清华航院曹炳阳教授团队全自主研发的国际首个芯片跨尺度热仿真与设计系统。TDA软件可实现芯片从纳米至宏观尺寸的热设计与仿真,支持芯片微纳结构内部热输运过程的模拟研究,直接提高芯片热仿真精度与结温预测准确度,进而提高芯片性能、寿命和可靠性。
清华大学 2025-05-16
多标准超高频射频识别读写器芯片
已有样品/n该款芯片支持ISO 18000-6C(EPC Global Class 1 Generation 2)、GB/T29768-2013 及GJB 7377.1-2011 等多种UHF RFID 读写器标准,多标准兼容模式即满足了国际市场需求,又兼具了本土产品的适应性。该款芯片采用高性能的回波抵消技术和独有的零中频接收机架构模式,优化了电源管理方案,提高了接收的灵敏度,增大了UHF RFID 读写器的读取距离,同时极大地简化了电路结构,
中国科学院大学 2021-01-12
具有翻转芯片功能的芯片吸取装置
本实用新型提供了一种具有翻转芯片功能的芯片吸取装置,包括 Z 向高度调节与支撑机构、翻转驱动机构、芯片吸取机构,Z 向高度调节与支撑机构将芯片吸取机构移动到适宜高度,翻转驱动机构驱动芯片吸取机构旋转,芯片吸取机构包括直线导向运动部件和芯片吸取元件,直线导向运动部件内设有直线轴承和弹簧,直线导向轴从上往下穿过直线轴承和弹簧,其端部连接芯片吸取元件,由于弹簧的缓冲作用,芯片吸取元件将芯片吸住后跟随芯片上升一定的高度,再在翻转驱动机构的作用下旋转到达芯片供给位置。本实用新型一方面避免了非接触式吸取的不可靠
华中科技大学 2021-01-12
一种安全存储器芯片、系统及其认证方法
本发明公开了一种安全存储器芯片、系统及其认证方法;该安 全存储器芯片包括总线接口模块、存储器模块、控制模块、加密模块 和私钥;控制模块和存储器模块共用一个总线接口模块,加密模块和 存储器模块均与控制模块相连,私钥与加密模块相连;存储器模块的 存储区域包括通用区域和受保护区域,通用区域用于存储软件程序, 受保护区域用于存储敏感数据;公钥存储于通用区域内。本发明提供 的安全存储器芯片具备更高的安全性;安全存储器芯片中的存
华中科技大学 2021-01-12
类视网膜仿生光电和图像传感器芯片
基于事件驱动方式的仿生视觉图像传感器,用于高速场景的拍摄 一、项目分类 关键核心技术突破、显著效益成果转化 二、成果简介 随着虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合虚拟增强现实(MR)技术、自动驾驶、物联网以及机器视觉等领域的飞速发展,对图像传感器的采集速度提出了更高的要求。传统基于“帧”扫描形式的CMOS 或 CCD 图像传感器较难满足高速运动物体的拍摄需求,若提高相机的图像采集帧率,则需要采用高性能且结构复杂的模数转换器,大量的图像会带来较大的数据冗余,此外,也会面临功耗高的问题。 相比于传统的光电和图像传感器,生物视网膜具有许多不可比拟的优势。视网膜中的光感受器可根据外界光强的变化自适应调节增益,能够感知超过 180dB 的光强范围。另外,视网膜基于事件驱动式的采集方式,仅输出场景中光强发生变化的信息,因而,能够滤除低频信息带来的冗余。在信号处理和传输上,采用异步通信的方式,通过神经节细胞将光强信息转换为时空脉冲信号,实现低功耗。 受到生物视网膜的启发,研究人员提出了基于事件驱动方式的仿生视觉图像传感器,用于高速场景的拍摄。该类传感器多采用对数像素电路作为光强探测单元,因其动态响应范围宽,可随机读取。然而,对数电路在弱光环境下灵敏度低,几乎没有光响应,即仍然无法模仿视网膜弱光下的高灵敏度,除此之外,其输出受到 (Fixed Pattern Noise,FPN)的影响,降低了图像质量。 我们提出了一种兼容 CMOS 工艺的光敏二极管体偏置场效应晶体管器件(PD- body biased MOSFET,简称 PD-MOS),其结构图和等效电路如图 1所示。 利用 PD 的感光特性以及 MOSFET 的正向衬底偏置效应实现集成光强探测及信号放大于一体的光电器件。该器件可解决对数电路在弱光下灵敏度低的问题,并且提出了一种明暗传感器的方案以降低噪声。设计成像测试方案并搭建静态图像采集测试系统,实现静态显示,通过 MTALAB 进行图像恢复从而实现动态图像显示功能。   图 1 (a) PD-MOS 器件结构及其 (b) 等效电路图 经过商用 180nm CMOS 工艺流程制备后的器件概貌如图 2 所示,图 (a) 为三种不同像素设计的芯片实物图,从上至下分别为环形结构、条形结构及对数像素电路,将其中的环形结构在显微镜下放大观察可看到图 (b) 所示的形貌,图 (c) 为4个像素的显微图。   图 2 (a) PD-MOS 成像阵列芯片的实物图,(b) 环形结构芯片在显微镜下的放大图以及 (c) 环形结构像素放大图 上位机实时显示效果如图3所示,可以明显看出两根头发相交。子图 (a) 为暗态时的 100 帧平均灰度图,子图 (b) 为暗态时的曲面图,子图 (c) (e) (g) (i) 为光态下的图,子图 (d) (f) (h) (j) 为光态下的图像数据减去暗态下图像数据的降噪图,可以发现在30nw/cm2 辐照度下已经出现头发的轮廓,当辐照度继续增加,头发的轮廓越来越清晰,当辐照度达到 3mw/cm2,仍然可以看到头发的轮廓。   图 3 阵列芯片采集的图像 不同于传统计算机视觉系统的图像采集方式,生物视觉系统的成像由视野场景中发生的事件触发,且生物视网膜具有宽动态响应范围、超低功耗以及异步传输等特点,这为仿生视觉系统的研究提供了全新的思路。随着物联网、自动驾驶以及安防等领域的快速发展,它们对高速动态图像传感器的需求也日益提升。近些年,针对这些需求,研究人员提出了一种用于采集高速动态信息的类视网膜相机,成为了一大热点研究方向。类视网膜相机的工作原理模拟了生物视网膜事件驱动型的采集方式及异步型的传输模式,为动态视觉成像提供了硬件基础。综上,该类传感器的研究具有十分重要的科研意义和深远的经济价值。
中山大学 2022-08-15
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