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项目将研究三维纳米位移和定位的测量理论与技术,新型功能材料关键特性参数计量标准研究

发布时间:2020-05-07 15:37编辑:联系我们浏览(179)

    近日,上海计量院机械制造所成功申报国家重点研发计划专项两项。  “硅基MEMS高深宽比三维结构的干涉显微无损测量技术”是国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项,项目由南京理工大学牵头申报,上海计量院与浙江大学、中国电子科技集团公司第十三研究所作为主要课题负责单位参与申报,上海计量院负责课题三“测量系统的量值溯源、校准与误差补偿”。项目将研制硅基MEMS高深宽比结构的智能化快速无损测量系统,通过专用工艺线接口,实现在超净环境下3种工艺线上的验证测量。  “跨尺度微纳米三坐标测量基础理论与技术”是国家重点研发计划“制造基础技术与关键部件”重点专项,项目由合肥工业大学牵头申报,上海计量院与哈尔滨工业大学、304所、中科院微电子所、中国计量大学作为主要课题负责单位参与申报,上海计量院负责课题三“非接触纳米定位技术”。项目将研究三维纳米位移和定位的测量理论与技术,研制高分辨力三维组合纳米测头、微纳米三坐标测量机样机,在精密微型零件加工和微纳制造领域进行试验验证。  国家重点研发计划事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全的重大科学技术问题,旨在突破国民经济和社会发展主要领域的技术瓶颈。上海计量院此次的成功申报,无论在项目的质量和数量上,还是在研究内容、经费规模及合作上都有创新和突破。上海计量院将打破原有思维模式,积极探索跨行业、跨单位、跨部门的科技项目合作模式,联合国内著名高校、科研院所和龙头企业协同创新,全力以赴建设与上海张江综合性国家科学中心相适应的质量技术基础平台。

    8月3日,科技部发布了国家重点研发计划“智能机器人”等重点专项2018年度项目申报指南,其中“制造基础技术与关键零部件”重点专项在列,包含先进传感器和高端仪器仪表等内容。 根据“制造基础技术与关键零部件”重点专项2018年度项目申报指南,本重点专项按照产业链部署创新链的要求,从基础前沿技术、共性关键技术、应用示范三个层面,围绕关键基础件、基础制造工艺、先进传感器、高端仪器仪表和基础保障技术五个方向部署实施。专项实施周期为5年。 2018年,在五个方向按照基础前沿技术类、共性关键技术类和应用示范类,拟启动不少于43个项目,拟安排国拨经费总概算约6亿元。。 涉及先进传感器和高端仪器仪表的内容中国仪表网整理如下: 一、 先进传感器 1. 高性能硅压力、加速度、角速度传感器前沿技术 研究内容:研究新型谐振式硅传感器敏感原理和结构;研究传感器非线性效应、耦合效应、温度效应及工艺误差影响;研究传感器优化设计、制造工艺精确控制、低应力封装等关键技术;开发闭环信号检测与控制电路系统集成技术;研制高精度硅压力传感器、加速度传感器、角速度传感器原型器件,并在流程工业与机器人领域试用验证。 考核指标:压力传感器量程0——1MPa,精度优于0.01%FS;加速度传感器量程±15g,零偏稳定性优于1g;角速度传感器量程±200/s,零偏稳定性优于0.1/h。 2.基于量子效应的微纳传感器前沿技术 研究内容:研究基于量子效应的芯片式角速度传感器、磁场传感器设计方法;研究传感器电子自旋-核自旋相互作用机理、温度效应;研究谐振频率控制、微型腔室制备、真空封装等关键技术;开发激光器、探测器、处理电路系统集成技术;研制高精度角速度传感器、磁场传感器原型器件,并在重大技术装备中试用验证。 考核指标:角速度传感器表头体积≤100cm3,量程±200/s,零偏稳定性优于0.1/h;磁场传感器表头体积≤10cm3,灵敏度优于10fT/Hz1/2。 3.无线无源微纳传感器前沿技术 研究内容:研究微型化声表面波、电感-电容无线传感器设计;研究传感器多参数敏感的耦合效应;研究传感器结构优化设计、曲面衬底上传感器制备工艺、封装、工业环境无线信号传输等关键技术;开发信号调制解调技术及处理电路系统集成技术;研制SAW和LC多参数监测传感器原型器件,并在燃气轮机主轴、轴承健康状况监测中试用验证。 考核指标:SAW传感器:温度量程-40℃——+1000℃,误差±1%;应变量程±3000μ,误差±1%;气压量程0——4MPa,误差±1%。LC传感器:温度量程-20℃——+120℃,误差±1%;应变量程±1000μ,误差±1%;振动量程±6g,误差±1%。 4.微纳传感器与电路协同设计技术及设计工具 研究内容:建立热/机械/电学多物理场耦合模型、硅表面加工与体加工工艺模型、闭环控制传感器宏模型;研究具有完全自主知识产权、包含器件级、工艺级、系统级设计功能的微纳传感器综合设计工具;研究微纳传感器与电路协同设计技术,并实现与集成电路设计工具的无缝连接;形成集成传感器知识产权库,IP经过生产线验证。 考核指标:器件级耦合分析自由度≥1×107;工艺级仿真与实验偏差优于5%;系统级仿真与实验偏差优于10%;闭环控制集成传感器IP不少于3种,软件销售≥10套。 5.微纳传感器与电路单片集成工艺技术及平台 研究内容:研究在同一芯片上制造微纳传感器与IC的工艺技术;以互补-金属-氧化物-硅工艺线为基础,研究与 CMOS工艺兼容的微纳传感器表面加工、体加工、硅直接键合加工等关键技术;建立可量产的微纳传感器与电路单片集成制造技术并形成标准制程规范,实现单片集成微纳传感器规模化生产。 考核指标:圆片直径≥150mm,单片集成传感器成品率≥80%,成套制程规范或标准≥3项;服务用户数≥3家,开发单片集成传感器不少于3种,生产能力≥5000片/年,销售单片集成传感器≥100万只。 6.高温硅压力传感器关键技术及应用 研究内容:研究高可靠性MEMS高温硅压力传感器结构优化技术;研究低应力无引线封装、温度补偿、高温专用电路芯片等关键技术;开发测控接口电路;实现批量化生产并在重大技术装备中应用。 考核指标:温度范围-55℃——+225℃,量程0——200kPa、0——60MPa,精度优于0.25%FS,零点漂移优于2%FS@100℃,长期稳定性优于0.1%FS/年,固频率≥200kHz,过载压力≥2倍额定压力;形成传感器芯片制造、封装到应用的产业化链,生产能力≥5000 套/年,销售量≥1000 套。 有关说明:由企业牵头申报。 7.单片集成多轴传感器关键技术及应用 研究内容:研究单芯片集成多轴传感器可复用的模块化设计技术;研究传感器单面微机械加工工艺、芯片内薄膜真空封装等关键技术;开发多轴传感器信号处理、融合与测试技术;形成单芯片集成多轴传感器制程规范,实现批量化生产并在大型起重输运装备、电梯生产线等行业应用。 考核指标:晶圆直径≥150mm,成品率≥90%;单片三轴磁场传感器分辨率优于50nT,单片三轴加速度传感器分辨率优于100g,单片三轴角速度传感器偏置稳定性优于1/h,单片三分量应力传感器分辨率优于10kPa;生产能力≥5000片/年,销售量≥100万只。 有关说明:由企业牵头申报。 8、无线红外高温微纳传感器关键技术及应用 研究内容:研究硅基红外传感器设计优化、制造工艺、封装、可靠性、测试等关键技术;研究工业现场环境下,高精度、非接触、红外高温温度测量技术;开发无线能量收集及信号传输技术;实现无线红外高温微纳传感器批量化生产,并在高温熔炼炉监测中应用。 考核指标:传感器量程 600℃——1600℃,误差±0.5%,响应时间≤20ms,生产能力≥5000 套/年,销售量≥1000 套。 有关说明:由企业牵头申报。 9、运动部件壁面温度微纳传感器关键技术及应用 研究内容:研究微纳温度传感器优化设计方案;研究运动部件曲面基底上高温绝缘层、缓冲层、温度敏感层的原位制造和微加工技术;研究微纳温度传感器在高温、高速、强振等恶劣环境下的可靠性;研究传感器标定、信号无线引出及多传感器系统集成技术;实现微纳温度传感器批量化生产,并在重大技术装备中示范应用。 考核指标:传感器量程100℃——1300℃,误差±1.0%;响应时间≤10ms,无线传递距离≥2mm;抗振动 1000Hz/20g,抗冲击100g/8ms 半正弦波,生产能力≥5000 套/年,销售量≥1000 套。 有关说明:由企业牵头申报。 二、高端仪器仪表 1. 基于语义交互集成的仪器仪表新型体系架构 研究内容:研究标准化语义描述、元数据提取、分类编码规则等仪器仪表信息交互基础方法;研究基于语义交互的仪器仪表信息集成与智能互联技术;开发适应语义交互集成、可重构的仪器仪表新型技术架构;在面向智能工厂应用的典型仪器仪表上开展原理验证。 考核指标:语义描述基础数据库覆盖仪器仪表数≥50种、数据量≥30万条;新型技术架构具备语义交互集成、自主智能、模块可重构等功能,自主重构装载任务配置能力达到 10ms 量级,在2类以上的智能化仪器仪表进行原理验证。 2.基于量子效应的仪表原位标校技术 研究内容:研究基于量子效应实现仪表原位标校的基础方法;研究量子磁通调控和数模转换技术、量子准确度任意电压信号合成技术;建立以量子数模转换为核心的标准级电压校准器物理系统并在仪器仪表制造行业开展原理验证。 考核指标:实现直流至10kHz 量子电压信号输出,幅度有效值达到1V,有效值准确度优于2μV@、3μV@,最大谐波失真优于-100dBc@,基于量子数模转换物理系统实现电压源/表的原位标校方法不确定度优于 5μV/V@。 3、具备边缘计算能力的新型仪器仪表 研究内容:研究仪器仪表嵌入式硬件计算资源分配、计算效能等的基础理论与技术;研究仪器仪表边缘计算的数据实时分析与处理等技术;研制面向智能工厂应用的基于边缘计算技术的新型仪器仪表,并在典型流程行业示范应用。 考核指标:研发具备自诊断、自学习、自决策和网络服务能力的压力、流量、气体分析等 3 类智能化仪器仪表,仪器仪表边缘计算响应时间≤100ms,自学习压力、流量、气体分析趋势变化率等,自诊断效率≥95%。 4.面向恶劣环境的仪器仪表可靠性设计及验证技术 研究内容:研究冶金、化工、船舶等高温和高盐雾腐蚀等恶劣环境条件下典型仪器仪表失效机理与模型、可靠性设计与仿真方法;研究可靠性高加速寿命和加速筛选等试验方法;建立恶劣环境下仪器仪表可靠性保障体系与验证平台;研制高可靠仪表,开展可靠性设计验证。 考核指标:恶劣环境下仪器仪表可靠性设计与试验分析软件1套;建立可靠性保障规范与验证平台;研制温度、压力、流量等恶劣环境条件下使用的验证性仪表,仪表平均故障间隔时间≥8000h。 5.高性能真空监测仪表 研究内容:研究高真空测量用阀体组件、标准连接装置等关键部件,以及高真空密封装配技术;研制高密封、高真空、宽量程、低功耗的真空监测仪表;在易燃易爆流体储运、真空镀膜、真空冶炼等制造领域示范应用。 考核指标:组件整体漏率≤10-11Pam3s-1,压力测量范围105Pa——10-5Pa,测量误差优于±15%@;仪表总功耗≤5W。 有关说明:由企业牵头申报。 6.汽车关键部件装配缺陷视觉检测仪 研究内容:研究适用于工业现场的汽车关键部件装配缺陷检测原理及方法,建立装配缺陷视觉检测模型;研究三维光学传感系统设计与集成、工业现场装配环境下的复杂形貌三维重构、装配缺陷特征表示及识别等关键技术;研制具有自主知识产权的汽车关键部件装配缺陷视觉检测仪;在汽车发动机等关键部件装配生产线开展示范应用。 考核指标:单视点检测时间≤3s,装配缺陷检测灵敏度≤±20μm,形貌重构精度≤0.1mm,装配缺陷识别种类≥20种,装配缺陷识别准确率≥99%;形成汽车装配缺陷视觉检测标准;仪器销售量不少于10套;在不少于2个汽车关键部件装配环节示范应用。 有关说明:由企业牵头申报。 7.特种工况实时在线测量仪表 研究内容:研究特种工况实时在线测量仪表的材料改性、敏感元器件优化、防护提升等工程化关键技术,开发适用相应工况的压力变送器、流量计和液位计等测量仪表;在光热发电、核电、化工等领域示范应用。 考核指标:压力测量范围0——7MPa,精度优于±0.075%FS;流量测量范围0——5m3/h,精度优于±1%FS;液位测量范围0——10m,精度优于±0.03%FS;上述3 类仪表可测量介质温度≥550℃,原位测量特殊介质包括熔融金属、高温盐质、加氢原料、氧化流体等;至少在2个领域开展示范应用且满足该领域的其他特殊使用要求。 有关说明:由企业牵头申报。 8.高性能特种控制阀 研究内容:研究适用于高温、高压差和高流速等特殊工况的特种控制阀整体构造、减压结构、材料处理、密封形式等关键技术;开发特种控制阀门,并在石化高压反应、核电等领域开展示范应用。 考核指标:控制阀使用温度≥350℃,控制压差≥17.0MPa,调节精度优于±1.5%,可调比≥100:1,阀座泄漏率达到Ⅴ级,系列化阀门口径最大可达DN450。

    薛晨阳教授简历:希腊雅典国立科技大学博士、教授、博士生导师,英国牛津大学和美国麻省理工学院高级访问学者,现任电子测试技术国防科技重点实验室、仪器科学与动态测试教育部重点实验室常务副主任;曾入选国家百千万人才工程,教育部新世纪优秀人才支持计划;主持基金委仪器专项、863项目、国防973课题等项目,获国家技术发明二等奖1项、省技术发明一等奖1项。出版专著1部,在APL等期刊上发表SCI论文94篇,他引234次,授权国家发明专利23项。

    微型机械加工技术作为微型机械的最关键技术,也必将有一个大的发展。硅加工、LIGA加工和准LIGA加工正向着更复杂、更高深度适合各种要求的材料特性和表面特性的微结构以及制作不同材料特别是功能材料微结构、更易于与电路集成的方向发展,多种加工技术结合也是其重要方向。微型机械在设计方面正向着进行结构和工艺设计的同时实现器件和系统的特性分析和评价的设计系统的实现方向发展,引入虚拟现实技术。

    10月27日,由中国计量科学研究院(简称中国计量院)牵头的国家重点研发计划专项“新型功能材料关键特性参数计量标准研究”项目实施方案论证会在北京召开。来自钢铁研究总院、中科院理化技术研究所、北京大学、北京市计量院等单位的7位咨询专家,项目及各课题负责人、参加单位技术骨干等近40人参会。中国计量院副院长宋淑英出席会议并致辞。  项目负责人、中国计量院纳米所所长宋小平副研究员汇报了项目的总体情况和实施方案,对项目目标、研究内容、技术路线、考核指标、任务分解和进度安排、预期成果和财务预算等内容进行了介绍。项目主要围绕三类新型功能材料,即磁性材料、高分子材料和微纳薄膜材料关键特性的溯源性开展研究,拟建立一批高水平的专用计量标准装置和标准物质,形成相关材料关键参数准确定值和可靠传递能力,为保障科研生产中相关材料特性测量和检测数据的准确一致提供支撑。  项目分高性能电工钢材料动态磁性计量技术研究、新型磁性材料现场计量技术研究、高分子材料理化性质计量技术研究、高分子材料介电常数计量技术及标准装置研究、微纳薄膜材料结构的光散射计量标准技术研究、微纳米尺度薄膜材料结构和热电参数计量技术研究6个子课题执行。6位课题负责人分别汇报了详细的研究内容、关键难点和技术方案。  咨询专家认真听取汇报,重点针对项目实施可行性、项目协调管理、材料计量中计量标准装置及标准物质溯源性等关键问题等提出了质询和建议。经讨论,与会专家一致认为项目研究目标、考核指标明确,研究内容和课题设置合理,技术路线可行,建议尽快组织实施。中国计量院将牵头9家合作单位开展联合研究。项目研究成果有望提升我国相关材料关键特性参数的测量、检测能力,为我国相关产业质量提升贡献力量。

    以我校仪器与电子学院薛晨阳教授为项目负责人申报的《多功能硅基微纳器件及系统的设计与制造》主题项目获得2015年度国家“863”计划先进制造技术领域立项资助,标志着我校国家级高水平研究项目的承担能力获得不断提升!

    微型机械加工技术是指制作为机械装置的微细加工技术。微细加工的出现和发展早是与大规模集成电路密切相关的,集成电路要求在微小面积的半导体上能容纳更多的电子元件,以形成功能复杂而完善的电路。电路微细图案中的最小线条宽度是提高集成电路集成度的关键技术标志,微细加工对微电子工业而言就是一种加工尺度从微米到纳米量级的制造微小尺寸元器件或薄模图形的先进制造技术。目前微型加工技术主要有基于从半导体集成电路微细加工工艺中发展起来的硅平面加工和体加工工艺,上世纪八十年代中期以后在LIGA加工(微型铸模电镀工艺)、准LIGA加工,超微细加工、微细电火花加工(EDM)、等离子束加工、电子束加工、快速原型制造(RPM)以及键合技术等微细加工工艺方面取得相当大的进展。

    《多功能硅基微纳器件及系统的设计与制造》主题项目是由中北大学牵头联合5家单位共同实施,项目总经费5680万元(其中,国拨专项经费3757万元),研究周期为3年。目前,该项目年度专项经费已拨付到位,项目研究工作正式启动!

    微型机械加工技术领域的前沿关键技术有:

    该项目面向物联网无线传感网络节点、移动互联无线智能终端、装备智能诊断等新型产业对高性能、多功能、低功耗微纳器件及系统的需求,开展兼具能源供给、多参量传感、无线传输和信息处理等多功能的微型化、集成化高端MEMS器件与系统研究,针对可制造性设计方法、三维异质集成及阵列化制造方法、智能系统集成技术等开展协同攻关,旨在突破高端微纳器件与系统的设计、制造、集成等前沿核心技术,为提升我国工业信息化和智能化水平提供基础器件和关键技术支撑。

    --微型机械加工技术的发展趋势

    欧洲工业发达国家也相继对微型系统的研究开发进行了重点投资,德国自1988年开始微加工十年计划项目,其科技部于1990~1993年拨款4万马克支持微系统计划研究,并把微系统列为本世纪初科技发展的重点,德国首创的LIGA工艺,为MEMS的发展提供了新的技术手段,并已成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年启动的7000万法郎的微系统与技术项目。欧共体组成多功能微系统研究网络NEXUS,联合协调46个研究所的研究。瑞士在其传统的钟表制造行业和小型精密机械工业的基础上也投入了MEMS的开发工作,1992年投资为1000万美元。英国政府也制订了纳米科学计划。在机械、光学、电子学等领域列出8个项目进行研究与开发。为了加强欧洲开发MEMS的力量,一些欧洲公司已组成MEMS开发集团。

    主要有结构材料特性测试技术,微小力学、电学等物理量的测量技术,微型器件和微型系统性能的表征和测试技术,微型系统动态特性测试技术,微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

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