微纳器件与系统研究室

MEMS与NEMS

振动能量收集器

 

研制出由振动能量收集器供电的无线加速度和温度传感器； 提出通过改变质量块重心，调节压电式振动能量收集器工作频率的方法；给出了非连续供电条件下，电能管理电路中电荷存储电容的最优工作点；研究基于驻极体薄膜的静电式振动能量收集器，以及基于液体运动的低频振动能量收集方法。目前正在进行的工作方向是设计研究适用于低频率、宽频带的振动能量收集器。

薄膜体声波谐振器

课题提出一种新型可单芯片集成高Q值射频薄膜体声波谐振器（FBAR），采用基于CMOS兼容工艺的气隙悬浮结构；同时，利用项目组提出的高Q 值FBAR 制作工艺与CMOS 兼容的特点，实现一种基于FBAR的CMOS 集成振荡器，并通过电路设计上的考虑补偿温度导致的FBAR频率漂移。本课题对于新一代无线通信领域的RFIC集成技术具有重要推动作用。

微型三维超级电容

 

通过探索电化学性能良好且可自支撑的材料，创造性地利用材料的可自支撑性和MEMS深加工技术实现了电极的三维化，最终得到了性能优良的三维微型超级电容。芯片性能远高于此前文献报道中同类器件。

微型燃料电池

 

面向传感节点供电等需求，解决了微型直接甲醇燃料电池微尺度下阳极／阴极流场燃料混合和排水问题、微电池的封装技术及集成性等问题；实现了硅基复合质子交换膜。所研制的硅微直接甲醇燃料电池的功率密度达20 mW/cm²；

磁传感器

主要研究新型磁电效应（GMR/TMR/GMI）固态磁传感芯片，近期主要进展包括：研制出线性范围±20Oe、灵敏度大于1mV/V/Oe、分辨率20μT、工作温度达120℃、低功耗（工作电流3mA）、尺寸2mm×2mm的微磁传感器；研制出线性范围±60Oe、灵敏度25mV/V/Oe、分辨率2nT、工作温度达200℃、微功耗（工作电流0.02mA）、尺寸2mm×2mm的纳磁传感器。

面向毫米波无线通信的集成微系统

 

开展了面向毫米波无线通信的集成微系统技术的研究工作。近年来以单晶硅、玻璃、陶瓷等为衬底，针对60GHz毫米波无线通信个域网（WPAN）的关键器件—集成天线及其阵列进行了深入系统的研究，现已设计、模拟并制造了多款样机。

 

RF MEMS

完成串联电阻式、并联电容式等多种RFMEMS开关器件的设计和制作，在高阻硅和Float玻璃沉底上采用先进的MEMS工艺，获得了性能优越、长寿命的RFMEMS开关器件。对RFMEMS器件的封装特性进行了系统的理论和实验研究，获得了具有自主知识产权的RFMEMS开关器件的封装策略。 开发出利用湿法工艺在单晶硅材料上进行纳米结构制作的新型工艺， 获得了尺度为40nm的纳米通孔阵列。

室温红外焦平面阵列

成功开发了基于表面微加工技术和体微加工技术相结合的红外焦平面阵列的制造工艺，具有完全CMOS兼容的特点，能够在标准CMOS工艺线进行加工。制造出160x120单元规模的红外焦平面阵列吸收层及绝热结构阵列，完成0.35微米工艺的信号处理电路设计。

微流体与生物医学微系统

微电极阵列

 

研制出应用于神经电信号检测的多种微电极阵列。其中，硅基微电极阵列实现了对牛蛙坐骨神经动作电位的检测。另外，硅基微电极阵列还用于检测磷酸盐缓冲液中双氧水的含量，测量精度达到0.08 nA/μM (H₂O₂), 线性度好于0.99, 平均测量限达到0.2 μM (H₂O₂).采用生物相容性良好硅橡胶的材料作为基底，研制了柔性的、可植入颅内的微电极阵列。柔性微电极阵列成功地用于兔子硬膜下脑电信号的检测试验。

微型生物医学器件与系统

 

在面向生物医学的微针经皮给药器件与系统方面已经进行了多年深入系统的研究，能够全部采用现有医用材料并利用成熟的加工工艺实现高质量实心、空心微针阵列芯片的低成本批量制造。制造的微针针尖锋利、刺入力小，结构坚固、不会断裂，微针密度与排布可以根据需要灵活多样；微针外径为200—250微米，微针高度为50—2000微米可根据需要进行制造；芯片衬底既可为硬质材料又可为柔性材料。在实心微针芯片上涂覆各种药物可以进一步制成相关药物的经皮贴剂，刺入皮肤后即可迅速持续释药；而空心微针具有经皮贴和微注射的双重功效，又可进一步明显提高给药速率。

PCR芯片

 

设计出一种新型的电化学实时微型PCR系统， 完成了PCR芯片的实验制作及相应的测量系统制作，得到了一系列面向生物医学的微纳传感器的新型制作工艺， 包括微电极制作、干胶微流道制作等。提出了利用电化学方法进行无标记实时DNA测量方法，通过实验验证得到了不同DNA扩增后的电化学信号。

纳米磁球标记传感器

 

面向心脑血管疾病、肝炎、癌症等重大疾病早期诊断，研究新型磁电效应生物医学微系统。目前主要针对急性心肌梗塞的前期标志物-肌红蛋白（Mgb）的快速检测技术，进行纳米磁标检测系统的研究与开发，并建立相应的检测方法学。目前已研制出系统原型样机，完成了检测系统与待检物之间生化接口的研究，以及相关免疫反应技术。

硅纳米线传感器

设计并初步制造成功单晶硅纳米线生化传感器。利用普通光刻技术和MEMS制造技术，在单晶硅衬底上成功制造出直径在50-80nm的硅纳米线传感器，制造工艺完成CMOS兼容。初步电学参数测试验证了纳米线传感器的特性。由于纳米线传感器具有良好的特异性和极高的灵敏度，后续将进一步尝试在癌症早期诊断、蛋白质检测等生化领域的应用。

纳电子与量子器件系统

量子计算与量子信息学

本课题现已完成对样品制备工艺的开发，购买并搭建了大型多靶超高真空溅射及蒸发系统，制备了较高质量样品；购买并安装调试稀释制冷机系统，并完成该系统中的低温低噪声电学测试系统的搭建。

纳机电系统

 

实现了利用微电子加工工艺制备金属纳米机电系统，首次实现了铝纳米机械振子的制备与测试。

量子器件和量子信息

 

（1）发现了超导人工原子中势能的对称性和微波辐射选则定则的关系。指出超导人工三能级原子的能级跃迁具有循环结构，并提出三能级系统中单双光子过程共存的理论；(2)提出利用交流信号控制超导量子比特之间相互作用的物理机制，包括频率匹配原理，超导量子比特的类离子阱理论，以及修饰的超导量子比特；（3）提出用可控超导电路量子电动力学效应产生微波光场的不同量子态；（4）确立了超导和半导体等固体量子比特量子态的层析理论。上述这些理论研究成果相继得到了有关实验的应用和验证。

磁材料

研究开发了硅基MEMS工艺兼容且适于量产的新型巨磁电阻(GMR)/隧道磁电阻(TMR)纳米薄膜材料，包括：磁电阻变化率超过9％的标准结构GMR自旋阀材料，磁电阻变化率15%的复杂结构GMR自旋阀材料，以及磁电阻变化率超过65%的隧道磁电阻(TMR)材料。应用研究开发的上述高性能磁电阻薄膜材料，开展了微型固态磁场传感芯片的研究，并先后完成微磁、纳磁传感器及系统。

新型储存器

基于电子自旋的新型非易失存储器

 

成功验证了基于自旋转移矩的存储单元的功能，存储单元的临界电流密度达到5×105A/cm2以下。完成1Mb STT-RAM存储芯片的设计，并进入流片实验阶段，预计2011年初完成1Mb STT-0RAM存储芯片的流片，并完成存储芯片的演示。这将是国内第一个STT-RAM存储芯片。

在自旋器件研究方面，目前主要是通过水平自旋阀结构研究自旋的注入和输运。实验上已经观测到有效的自旋注入，并能对电子自旋输运进行控制。

磁存储器

面向磁随机存储器(MRAM)，开展了巨磁电阻(GMR)/隧道磁电阻(TMR)纳米薄膜的研究，研制出磁电阻变化率分别超过9％的标准结构GMR自旋阀材料、磁电阻变化率达到15%的复杂结构GMR自旋阀材料，以及磁电阻变化率超过65%的隧道磁电阻(TMR)材料。面向阻变存储器(RRAM)，开展了钙钛矿结构含锰氧化物薄膜电致变阻效应的研究，取得电致变阻率超过300%的材料研究成果。

系统级封装与集成技术

 

封装技术

初步完成了硅基板系统级封装关键技术的研究，在硅片上实现了窄节距倒装凸点的成型、获得了低温倒装凸点工艺技术、在硅基板上实现了无源元件集成；在三维通孔方面获得了高密度的硅通孔工艺与低温圆片键合技术；在有机封装基板上提出了新的叠层工艺和植球技术；获得了多种封装设计的流程；针对性进行了高可靠性封装应用的低应力设计方法研究。

三维互连与三维集成

开发了一种“自底向上”的铜电镀技术，成功地实现了直径5-10微米、深度50-200微米硅片上通孔的无缝铜电镀，获得了深宽比超过10:1的铜三维互连；开发了基于Waferbond的临时键合技术和去键合技术；开发了硅片背面减薄及应力消除的CMP技术，实现了利用BCB与Cu-Sn合金体系的混合键合技术。以这些技术为基础，成功开发了完全CMOS兼容的三维集成技术，实现了2层硅晶圆的三维集成。