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目前，國產(chǎn)集成電路“缺芯少減”的現(xiàn)象非常嚴重，特別是在編程邏輯器件被美國幾家著名大公司所壟斷.國內(nèi)與固外差距巨大，可編程器件目前廣泛應用于通信航天航空導航遙感遙測。大的應用需R和發(fā)展前展。本項目針對嵌入了處理器的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。

硅芯片是當代信息技術(shù)的核心，當前正向“深度摩爾”（More Moore）和“超越摩爾”（More than Moore）兩個方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用是“超越摩爾”技術(shù)路線中相當重要的一環(huán)，需要數(shù)量巨大的集成電路芯片來分析處理來自外部傳感器件的海量信號。目前，大多數(shù)傳感信號采集器件和信號處理單元均為分離設計，將在整體上產(chǎn)生更大功耗并占據(jù)更大的空間。由此，復旦大學材料科學系教授梅永豐課題組提出了將信號檢測和分析功能集成于同一個芯片器件中的全新概念。作為演示，研究團隊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)造了對不同環(huán)境變量進行檢測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)異的可擴展性，還可與當前集成電路先進制造工藝相兼容。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《科學進展》（Science Advances）上。研究團隊從器件的傳感機理入手，利用柔性薄膜組裝集成芯片傳感器，實現(xiàn)了多種環(huán)境參數(shù)探測功能的集成。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器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流。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)等方面的光學性質(zhì)變化，但一般需要光譜設備或比色卡才能進行比對。而翻轉(zhuǎn)的硅薄膜光電晶體管由于沒有柵極金屬阻擋功能區(qū)域的光信號吸收，可以更容易獲得高靈敏的傳感特性。利用這一點，研究團隊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，因此可以在同一個芯片上實現(xiàn)對多種不同信號的同時檢測。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環(huán)境刺激發(fā)生響應，進而改變下方硅單晶薄膜光電晶體管的輸出信號。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，對下方器件進行保護。硅薄膜光電晶體管完全由晶圓級先進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是單個器件功能區(qū)域的特寫，在藍色虛框部分集成不同智能材料即可實現(xiàn)對不同環(huán)境信號的檢測。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、邏輯與存儲單元、信號放大器和電源。研究團隊利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對環(huán)境中濕度的實時、快速檢測，演示的信號為依次減小的三個濕度脈沖。整個過程中直接對環(huán)境變化做出響應的信號，即參比器件與傳感器件輸出電流隨時間的變化如圖1E中所示。當環(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，即可給出所檢測的環(huán)境參數(shù)的值。研究團隊開發(fā)了將智能材料與光電傳感結(jié)合的新穎傳感機制，并將傳感模塊與后續(xù)信號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)檢測方面的能力，已經(jīng)初步具備了未來的“智能數(shù)字灰塵”的雛形。該策略也可以應用于其他的數(shù)字傳感系統(tǒng)，在后摩爾時代中將具有巨大的應用潛力。論文主要由李恭謹博士，博士研究生馬喆和尤淳瑜合作完成，并獲得韓國延世大學Taeyoon Lee教授和中科院微系統(tǒng)所狄增峰研究員的合作支持。該工作得到國家自然科學基金委、上海市科委、復旦大學和專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室等大力支持。

（ (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器件的電流變化，紅色為參比電流，藍色為檢測電流 ）

哈爾濱工業(yè)大學（深圳）電子與信息工程學院的徐科副教授、姚勇教授與其合作者，針對光通信芯片集成度受限的問題，通過光波導模場的精細調(diào)控，在實現(xiàn)多模波導低損耗和低串擾的同時，將關(guān)鍵器件的尺寸縮小了1-2個數(shù)量級。芯片支持3×112 Gbit/s高速模分復用信號的任意緊湊布線，使多模光學系統(tǒng)的大規(guī)模片上集成成為可能。該成果將進一步助力集成光子芯片在光通信、人工智能、高性能計算、量子信息等眾多高新領域中加速發(fā)展和應用。

成果介紹重金屬離子污染是影響人類生命健康及社會可持續(xù)發(fā)展的重大問題之一。方便、快捷低成本的重金屬離子檢測方法及裝置的研發(fā)仍然是分析化學及儀器分析領域的研究熱點之一。近年來開發(fā)的低成本紙基微流控芯片逐漸引起了科學家的廣泛關(guān)注，如何將紙基微流控芯片負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結(jié)果仍然是一大難題。基于上述挑戰(zhàn)，本項目擬研制基于紙基微流控芯片重金屬離子檢測集成裝置，并建立相關(guān)分析方法及分析標準曲線。在檢測的過程中紙基微流控芯片可以顯示不同強度的熒光和顏色，然后利用智能手機通過集成裝置捕獲光學信號，最后通過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)新點及參數(shù)本項目的技術(shù)優(yōu)勢在于使用紙基微流控芯片成本較低；負載熒光染料后分析快捷方便無需樣品預處理；熒光染料熒光強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捕獲光學信號可現(xiàn)場快速分析檢測；集成裝置可通過3D打印制作費用較低；檢測過程無需大型儀器操作簡單能耗低等。現(xiàn)場快速檢測是野外水質(zhì)重金屬離子污染檢測的需求之一，利用研發(fā)的集成裝置搭載微型電源即可完成野外現(xiàn)場的快速檢測，通過預先建立的分析標準曲線可定量檢測水體中的重金屬離子含量。另外如果開發(fā)分析軟件，建立手機內(nèi)部的分析應用程序即可完成用手機獲取光學信號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。市場前景目前重金屬離子檢測主要依賴大型儀器分析，存在樣品預處理繁瑣、分析儀器操作復雜、檢測時間長和無法現(xiàn)場檢測等缺點。本項目研發(fā)的基于紙基微流控芯片重金屬離子檢測集成裝置可彌補上述缺點。實現(xiàn)方便、快捷、低能耗、低成本的高通量快速分析檢測的目標，并可實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和應用。這一裝置將為野外的水質(zhì)重金屬離子污染檢測提供方便快捷的檢測策略。

基于分布式芯片驅(qū)動的 LED 集成化照明模組，將驅(qū)動與光源集成為一體化標準模組，克服了開關(guān)電源的電解電容壽命瓶頸、可靠性差、成本高等缺點，具有可靠性高、 壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、模塊化設計、安裝方便、免維護、智能化、成本低等優(yōu)點。結(jié)合窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)、Zigbee、 LoRa 等無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)平臺的智慧城市照明系統(tǒng)，通過精細化運營管理，可達到 70%的節(jié)能減排效果。實現(xiàn)驅(qū)動芯片化、模組集成化、通訊無線化、軟件智慧化、系統(tǒng)物聯(lián)化。 

本項目針對國內(nèi)高端光電子器件嚴重依賴進口的現(xiàn)狀問題，自主研制Tb/s級以上 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、制備測試基礎，依托“先進電子材料與器件”校級平臺的先進半導體加工能力，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，大帶寬高響應度的探測器陣列，高效硅基芯片-光纖耦合，以及可調(diào)光功率衰減器。 通過本項目的實施，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)領域有所突破，建立關(guān)鍵工藝技術(shù)與器件標準庫，形成硅基光電子器件標準加工工藝流程，實現(xiàn)高端光電子器件的自主制備,改變了我國硅基光電子器件技術(shù)無償?shù)叵驀廪D(zhuǎn)移的歷史，縮短我國光子集成技術(shù)與國際先進水平的差距，提升我國光通信產(chǎn)業(yè)的競爭力。部分成果獲得2014年度上海市發(fā)明二等獎。

在光通信傳輸過程中，發(fā)射端將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后調(diào)制到激光器發(fā)出激光束，通過光纖傳遞，在接收端接收到光信號后再將其轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后變?yōu)樾畔ⅲ怆娦酒鸬降淖饔镁褪牵瑢崿F(xiàn)電信號和光信號之間的相互轉(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，開展了低電壓電泳分離檢測相關(guān)基礎理論與關(guān)鍵加工技術(shù)的研究。通過芯片微流道中流體的電場和流場等的模擬分析，對低電壓電泳芯片進行了結(jié)構(gòu)設計，提出集成非接觸高頻電導檢測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檢測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檢測器的兩種低電壓電泳芯片

1 成果簡介隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染、疾病監(jiān)測、食品安全等民生熱點日益受到人們的關(guān)注。如何對上述問題進行簡單、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)，這就需要一種可實時實地檢測、操作簡便的多應用傳感器件。 表面等離子體波（ SPP）傳感器是一種基于光學檢測的傳感器件，被廣泛用于藥物篩選、食物檢測、環(huán)境監(jiān)測和細胞膜模擬等方面。相對于目前常見的化學、電子、力學等傳感器，SPP 傳感器擁有實時檢測、無需標記、對被檢測物無損害、探測方法簡單等眾多優(yōu)點。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。然而現(xiàn)有的集成型 SPP 傳感器件普遍存在靈敏度低，探測范圍小等問題，限制了其應用的推廣。 課題組從 2006 年開始合作從事集成型 SPP 傳感器件研究，在清國家 973 項目、自然科學基金重點項目、教育部清華大學自主研究項目等項目資助下， 創(chuàng)新性提出一種基于 SPP-介質(zhì)波導異質(zhì)垂直耦合器的可集成生化傳感芯片，并對傳感芯片的傳感特性和應用進行了深入研究和探索。芯片的特點和性能如下：可集成，芯片體積小，可與便攜設備集成；可批量生產(chǎn)，價格低廉；靈敏度較傳統(tǒng)的集成型 SPP 傳感器件高出一個數(shù)量級；可實現(xiàn)對傳感區(qū)域的精確或者大范圍調(diào)節(jié)；可實現(xiàn)對納米量級大小的物質(zhì)的探測；傳感性能穩(wěn)定，應用領域廣泛。上述優(yōu)點表明該芯片可以工廠大批量生產(chǎn)經(jīng)營，也可以用于實驗室的科研研究，在化學，生物，醫(yī)學等多 個領域均有應用價值。查新表明，國內(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比圖 (b) 傳感芯片的顯微鏡照片2 應用說明可集成型 SPP 生化傳感芯片在實驗室經(jīng)多次驗證，可以實現(xiàn)對折射率液體以及納米級薄層物質(zhì)的高靈敏探測，并初步應用于對雙酚 a（簡稱 BPA，一種塑料生長常用原料，每年生產(chǎn)將近 2700 萬噸含 BPA 的塑料類物質(zhì)， BPA 具有胚胎致畸性和致毒性）的檢測。實驗結(jié)果表明，該芯片對于 BPA 的探測極限濃度可以達到 0.1ng/ml （歐盟公布食品準則中水含有BPA 的最高濃度為 1ng/ml）。3 效益分析由于目前國內(nèi)尚無同類產(chǎn)品， 而且此產(chǎn)品在疾病檢驗，環(huán)境監(jiān)測，藥品鑒別等多個領域具有應用價值， 因此本儀器具有較大的市場推廣空間。本傳感芯片價格低廉，使用簡便，對樣品無二次污染，性能穩(wěn)定，甚至對納米量級的生化小分子探測均具有高靈敏度，相對于其他類型的傳感器件， 具有明顯的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢。