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附动漫|微纳米世界造大飞机传感器,交大有个显微镜下”智能工厂”|工博会高校新成果

2019/9/20 10:40:47

附动漫|微纳米世界造大飞机传感器,交大有个显微镜下”智能工厂”|工博会高校新成果

越来越多功能正被集成到你的手机中,以电子罗盘为例,它与三轴陀螺仪、三轴加速度传感器组成的九轴系统,成为满足精准定位需求的关键器件。从全球导航的地磁传感器,到检测海拔气压的压力传感器,智能手机正是依靠各种各样的微传感器才能“眼观六路、耳听八方”。

 

距离今年第20届中国国际工业博览会还有一周,解放日报·上观新闻记者今天(12日)从工博会高校展区项目发布中获悉:上海交通大学正准备公开展示其微纳集成制造技术,在电子显微镜下的微米纳米世界里,不但能造出可用于手机的高度集成传感器,还能造出大飞机上的“高精尖”传感器。

研究人员对微加工器件做显微观测。

 

高价值传感器仍主要依赖进口

 

在物联网、在车联网、在智慧城市中,传感器其实就是“五官”和“皮肤”,承担着感知并获取环境中一切信息数据的功能,并追求在更小的器件空间内集成最大的“感官功能”,从而成倍提高整个系统的性能。

 

作为集成电路器件的延伸,各类新型传感器芯片,如微型压力传感器、加速度传感器等,通常都包含可动的微小机构,需要采用先进加工手段处理,精度甚至达到头发丝直径的百分之一。然而,我国高价值传感器仍主要依赖进口,尤其是高精度、高灵敏度、高可靠性的传感器,国产器件不但市场份额小,而且多处于低端。

 

在上海交大电子信息与电气工程学院,有一支40多名师生组成的微纳集成制造技术团队,长期从事基于微机电系统(MEMS)的高性能传感器研发。在电镜前,团队负责人丁桂甫教授介绍,在传统集成电路硅材料的微加工技术之上,通过工艺兼容,合理引入金属、聚合物、陶瓷、碳基等多种类型的敏感材料和功能材料,就能丰富和发展微纳集成的技术内涵,拥有更多常人没有的高级“感官”。

 

进入电院的微米/纳米加工技术国家级重点实验室,基于这样的微米纳米级“智能工厂”,各类非硅材料在传感器芯片中被高精度集成。他们率先建立了多元兼容的集成制造技术体系,成功开发出一系列具有自主知识产权的高端微纳传感器。比如自主研发的抗冲击微传感器,目前已完成小批量应用试验,相信在不久的将来即可完全摆脱这类器件的“卡脖子”状态。

简化微热平台器件的显微结构。

 

敏感结构厚度不及发丝五分之一

 

随着我国大型客机C919成功上天,摆在国人面前一道“卡脖子”难题是如何才能真正拥有属于自己的大飞机“心脏”——航空发动机。其中,对航空发动机叶片设计优化所需的高温原位检测技术有迫切需求。国际上,主要航发制造商早在上世纪80年代就开展相关研究工作,国内亟需突破。  

 

航空发动机“如火如荼”喷气,如何监测原始状态?对此,上海交大微纳集成制造技术团队联合国内重要的航空发动机研制单位,将专用高端传感器的先进设计制造技术应用于高温传感器研制,重点解决耐高温合金材料的兼容集成工艺难题,尤其是在发动机叶片这样曲面衬底上的原位集成制造技术,才能做到非常非常“服帖”。

 

双方联合攻关,对特种加工设备数十次改造,加之无以计数的工艺优化实验,终于成功研制出可在发动机叶片表面上原位集成的薄膜型高温传感器,其敏感结构的厚度不及头发丝的五分之一,几乎不会对空气动力特性产生影响;而其检测温度上限可达1200摄氏度,有望满足目前航发研制工作急迫需求。丁桂甫教授说,“相信随着研发深入,更高监测温度和更高稳定性的原位集成薄膜温度传感器,会为先进航发研制提供更好支撑。”

一种简化微热平台器件的温度分布。

 

建专业技术平台“微纳”服务小微

 

高新技术如何推向产业应用?这支技术团队在上海市科委支持下建立起上海市“非硅微纳集成制造专业技术服务平台”,面向社会开展技术推广服务。不仅在大企业方面,协助某工业集团公司建立国内唯一的非硅微纳加工制造中试工艺线,还有针对性地弥补小微企业在创业初期产品开发基础的薄弱不足。

 

在一家专业从事糖尿病高端诊疗设备开发的医疗器械科技公司,微纳团队在其创建初期就协助完成了动态血糖传感器电极初始原型的样品研制,还承担完成了柔性电极小批量制造工艺优化和批量制造成套技术开发。他们指导企业建成了投资3000万元的植入式微针电极专用生产工艺线,微针电极核心技术指标达到国际上同期产品的先进水平。据悉现已完成欧盟医疗产品认证,实现从产品开发到成套技术转移的全流程技术服务。

 

企业负责人点赞致谢称,这不但节省了大量前期设备、技术和人员投入,而且减少了大量摸索试错时间,为企业生存发展赢得了关键先机。在丁桂甫指导下,整支团队至今已申请国家发明专利100多项,其中已获授权就有60余项。