MEMS 红外气体传感器关键芯片与系统集成研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61376119
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    86.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0407.微纳机电器件与控制系统
  • 结题年份:
    2017
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2017-12-31

项目摘要

The traditional infrared gas sensors with mass in volume and high-cost are hard to realize the miniaturization and smart. Based on the research work on MEMS modulating IR photonic crystals (PCs) emitters, which is supported by young scientist project of natural science foundation of China (NSFC), a low-cost and high-integrated infrared System-in-Package (SiP) is developed. A novel mid-infrared hollow fiber with high couple efficiency and low loss is fabricated as a cell for the integrated infrared gas SiP system. Then, we explore to integrate PCs-based infrared modulating emitter with narrow-passband, infrared pyroelectric detector with PCs structure and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit)SOC (System On Chip) with low power dissipation and multi-channel for gas annlysis, into a TO packaging to form a completely novel infrared SiP system. The volume of the packaging with optical multi-reflection structure is about tens of cubic centimeter. Firstly, pyroelectric thin film IR detector with PCs structure is emphatically researched based on the photonic band gap (PBG),which means the light cannot transmit in the photonic crystal when light's frequency locates in the PBG. As we all known, the thermal isolative structure of the substrate and its infrared radiation is the major factors that limit the resolution of infrared pyroelectric thin film IR detector.If the photonic band gap is designed at the mid-infrared wavelength,the layer with PCs can be used as an excellent thermal isolative substrate, The thermal conductivity is near to zero because of the resistance to the radiation. Therefore,the introduction of the PCs will enhance the sensitivity of pyroelectric thin film IR detector and break through the difficulty in the low detecting efficiency. Meanwhile, we focus on the study of ASIC SOC with low consumption and multi-channel input for the gas analysis. As a mix-mode chip,the application-specific controller chip including analog signal and digital signal processing block can be applied to receiving,amplifying,processing,controlling signals of pyroelectric thin film IR detector,and offer a wide application in gas analysis fields. The SOC chip can greatly decrease system noise and detect weak signals with low power and high sensitivity using . The MEMS gas infrared SiP system featuring high selectivity, high sensitivity, fast response and low cost is able to compatible with IC process and be easy to further integrate. It would be a promising production with mass production, and emerge as a great innovator.
本项目探索发展一种高度集成化的MEMS红外气体传感器集成系统。该系统以高耦合、低损耗传输特性的中红外空心光纤为吸收腔,将窄带电调制MEMS红外辐射源、光子晶体热释电红外探测器,低功耗多通道专用SOC系统处理芯片,通过MEMS系统集成技术,封装在体积仅为十几立方厘米带有多次反射结构的TO封装体内。重点研究光子晶体结构的热释电红外探测器,尝试利用光子晶体的光子频率禁带特性,实现对特定波段光辐射的全反射,得到热绝缘衬底导热率趋于O的光子晶体支撑结构。通过新技术的尝试,提高探测灵敏度,突破传统热释电探测器探测效率低的难点。同时,专注于专用低功耗多通道红外气体分析专用SOC集成芯片的研究,通过SOC技术进一步降低系统噪声,实现对微弱信号的低功耗高灵敏检测。 该微传感器集成系统具有体积小、集成度高、功耗低、响应快和价格低等优点,具有很大的技术拓展天地和巨大的应用市场,是典型的系统集成创新。

结项摘要

针对传统的化学、电化学、光谱等技术的环境监测仪器存在体积大、使用条件受限、灵敏度低、检测指标单一、不能现场实时、快速直观和多参数监测等问题,本项目以CO、CO2、CH4等有毒有害气体为具体监测对象,利用先进的MEMS和IC集成技术,研究高集成度的MEMS化红外气体传感器系统。该微传感器集成系统具有体积小、集成度高、功耗低、响应快和价格低等优点,具有很大的技术拓展天地和巨大的应用市场,是典型的系统集成创新。.系统以高耦合、低损耗传输特性的中红外空心光纤为吸收腔,将窄带电调制MEMS红外辐射源、光子晶体热释电红外探测器,低功耗多通道专用SOC系统处理芯片,通过MEMS系统集成技术,封装成SIP核心探测模组。该系统突破了光子晶体红外辐射源和红外阵列探测器结构设计和MEMS制作、一体化系统集成、微弱信号采集处理等关键技术,实现红外辐射源100Hz的调制频率,小于0.35μm 的FWHM (半高全宽);通过对小尺寸光栅器件的制作工艺的摸索,获得了较好的工艺参数。成功制备出周期为6μm,8μm,10μm,16μm,24μm 和 36μm光栅结构器件,其对红外光的吸收效率均高于等面积的非光栅结构器件,证明光栅结构可以提高器件对红外光的吸收效率;采用0.35umCMOS工艺设计研制了3通道专用低功耗多通道红外气体分析专用SOC集成芯片,实现传感器微弱信号接收、放大、调理电路,A/D转化,通过SOC技术进一步降低系统噪声,实现对微弱信号的低功耗高灵敏检测。最后,完成红外探测器阵列及MEMS红外光源嵌入式探测功能模块的研制,利用所研制的嵌入式多气体检测系统,准确实现气体的定性定量分析等功能,实现对CO2、CO和氟利昂气体的测试验证,测试精度与测试响应时间分别达到±3 F.S与30秒以内,检测限达到1ppm,满足指标要求。.项目的研究成果可提升关键部件的自主化水平,打破国外关于此类产品的技术壁垒,开发出可产品化的新型传感器芯片。

项目成果

期刊论文数量(35)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(16)
专利数量(10)
Chemiluminescence detector based on a single planar transparent digital microfluidic device
基于单平面透明数字微流控装置的化学发光探测器
  • DOI:
    10.1039/c3lc50170a
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    LAB ON A CHIP
  • 影响因子:
    6.1
  • 作者:
    Zeng Xiangyu;Zhang Kaidi;Pan Jian;Chen Guoping;Liu Ai-Qun;Fan Shih-Kang;Zhou Jia
  • 通讯作者:
    Zhou Jia
AN ALL-DIGITAL PHASE-LOCKED-LOOP WITH A ROBUSTNESS ENHANCED DUAL-MODE DCO
具有鲁棒性增强型双模 DCO 的全数字锁相环
  • DOI:
    10.1002/mop.30278
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS
  • 影响因子:
    1.5
  • 作者:
    Cui Keji;Wang Lebo;Mao Jia;Qin Yajie;Zou Zhuo;Zheng Lirong
  • 通讯作者:
    Zheng Lirong
一种具有温度补偿的宽带CMOS可变增益放大器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    固体电子学研究与进展
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄杏丽;秦希;秦亚杰;黄煜梅;洪志良
  • 通讯作者:
    洪志良
基于多传感器融合的用于脑卒中患者的可穿戴式上肢动作识别系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    中国康复医学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    廖梦佳;秦亚杰;汪源源;丁力;贾杰
  • 通讯作者:
    贾杰
A 455 nW 220 fJ/conversion-step 12 bits 2 kS/s SAR ADC for portable biopotential acquisition systems
适用于便携式生物电势采集系统的 455 nW 220 fJ/转换步长 12 位 2 kS/s SAR ADC
  • DOI:
    10.1088/1674-4926/32/1/015001
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    Journal of Semiconductors
  • 影响因子:
    5.1
  • 作者:
    Zhang Hui;Qin Yajie;Yang Siyu;Hong Zhiliang
  • 通讯作者:
    Hong Zhiliang

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其他文献

基于二维金属亚波长孔阵列结构的MEMS红外辐射源特性研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    传感技术学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    姚翔;肖功利;纪新明;周嘉;包宗明;黄宜平
  • 通讯作者:
    黄宜平
基于打印聚合物薄膜技术的NH_3传感器
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    传感器与微系统
  • 影响因子:
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  • 作者:
    王聪;纪新明;周嘉;包宗明;黄宜平
  • 通讯作者:
    黄宜平
高灵敏度谐振式红外光声气体传感器研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    传感器与微系统
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    方兴;李嘉;纪新明;包宗明;黄宜平
  • 通讯作者:
    黄宜平
高灵敏度小型化红外光声气体传感系统
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    传感器与微系统
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李俊;纪新明;周嘉;包宗明;黄宜平
  • 通讯作者:
    黄宜平
DMMP在纳米分子筛敏感薄膜中的解吸附特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    传感器与微系统
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    姚伟;纪新明;周嘉;包宗明;鲍敏杭;黄宜平
  • 通讯作者:
    黄宜平

其他文献

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AI项目思路

AI技术路线图

纪新明的其他基金

光子晶体表面等离子体MEMS红外辐射源的研究
  • 批准号:
    60906054
  • 批准年份:
    2009
  • 资助金额:
    24.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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