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天津市光电传感器与传感网络重点实验室

科学研究

从十二五开始,物联网技术就被列为国家发展战略规划,并且于2012年2月正式发布了《物联网“十二五”发展规划》。传感器及传感网络技术是物联网技术的基础。南开大学电子信息与光学工程学院在传感器与传感网络技术相关领域具有很好研究基础。为了整合物质与人才资源,壮大人才队伍,进一步突出研究方向,提高承担重大研究课题的能力,学院于2014年初依托南开大学电子信息与光学工程学院,以光学工程(国家重点学科)、电子科学与技术、信息与通信工程三个一级学科为基础,组建了“南开大学传感器与传感网络研究中心”,2016年获批天津市重点实验室。本实验室将重点从事传感器及传感网络技术基础研究,同时注重相关领域人才的培养与引进,为天津市,乃至国家相关技术及产业的发展做出重要贡献。

实验室研究方向、内容、特色与优势

研究方向之一: 新一代光纤传感器网络与关键器件研究

光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势,实现具有多参数实时传感功能、具有大规模组网能力和与通信网兼容能力的新一代光纤传感器网络和关键器件是光纤传感技术发展的趋势,在这一领域我们的研究重点为:

1.新型光纤微纳结构和微纳结构光纤传感关键器件研究

探索新型光纤微纳结构和微纳结构光纤的新传感效应和机理,在新型光纤微纳结构和微纳结构光纤传感关键器件制备方面开展创新性的研究工作。通过将生物、化学、物理等待测参量与光纤导光参数相关联,充分发挥光纤的优点,解决其它类型传感器无法解决的测量问题。

2.光纤多参量传感机理与关键器件研究

深入研究光纤中多参量传感的机理;研究多参量传感时的交叉敏感问题;研究增减敏材料和技术;设计并实现可进行多参量传感的光纤传感器件。

3.超长距离分布式光纤传感网络研究

分布式光纤传感网络具有信息量大、结构简单、性价比好等突出优点,具有不可替代的作用,所以一直都是光纤传感技术领域的热点,但是目前分布式光纤传感仍存在测量距离受限、测量响应慢等急需解决的关键问题。在这一领域,将重点研究新一代超长距离(>100Km)光纤传感网络的新机理与关键技术问题,研制出具有国际领先水平的分布式光纤传感网络系统。

4.光纤传感器大规模组网关键技术基础研究

主要研究大容量光纤干涉传感网络的网络架构以及光纤传感网络与光纤通信网络以及其它传感和通信网络的融合。

特色与优势:南开大学光现代光学研究所是国内最早开展光纤传感技术研究的单位之一,最主要的特色是理论研究与工程应用并重。在光纤光栅制作技术、光纤光栅封装技术、纤栅式传感器件的设计与制作、光子晶体光纤理论与关键器件设计方面,积累了丰富的经验并取得了国内领先、国际先进水平的多项研究成果。先后完成了国家自然科学重点基金项目、国家863课题,国家973计划项目以及天津市科委重点攻关项目等国家和省部级重点科研项目。取得研究成果40多项,多数鉴定结论为:国际先进和创新水平。在基础理论及应用研究方面,发表学术论文600多篇,其中300余篇被EI、SCI等国际著名文摘收录,出版《现代光纤通信与同步网(—原理与发展)》、《光纤通信技术基础》、《光纤通信工程师实用手册》、《光波电子学》、《光学与光电子学》和《光子学与光子技术》学术专著近20部。在工程应用方面,最典型的研究成果是我们研制的基于光子晶体光纤的微量气体传感系统已经在“天宫一号”载人航天器中成功使用并稳定运行。

研究方向之二:太赫兹传感器及传感网络关键器件研究

由于特殊的频率位置,太赫兹波特别适合于宽带移动通信及空间通信,是下一代无线通信技术关注的重点。针对太赫兹传感系统和太赫兹宽带无线传感网络系统对太赫兹传感器、隔离器、调制器、可调谐滤波器等关键功能器件的需求,通过探索太赫兹表面等离子体波导中非互易传输和主动调控机理,突破现有传感器、传感网络关键器件的技术瓶颈,利用磁光材料、半导体材料、相变材料等功能材料在太赫兹波段的电磁性质,结合金属-磁光表面等离子体、金属-半导体表面等离子体等新型人工电磁结构,研制基于表面等离子体波导的宽带、高隔离度、大调制深度和高灵敏度的隔离器、调制器、传感器等关键功能器件,满足我国太赫兹技术发展和应用对太赫兹功能器件的需求。

特色和优势:南开大学现代光学研究所是开展太赫兹科学领域研究较早的单位之一,自2007年就开始与电子科技大学、南京大学、上海交通大学、中科院物理所、中科院微系统所等单位密切合作,共同申请并承担了我国太赫兹领域的第一个和第二个973计划项目以及第一个863计划项目,与合作单位共同申请了“教育部太赫兹科学协同创新中心”。经过973和863计划项目的实施,南开大学在微结构太赫兹功能器件的研究处于国内领先水平,特别是在基于磁光材料的非互易器件研制方面处于国际领先水平,相关的研究成果受到国内外同行的关注。

研究方向之三:生化医学传感器技术及智能系统研究

研究内容:关于SPR(表面等离子共振)、LSPR(局部表面等离子共振)、QCM(石英晶体微天平)、ISFET(离子敏感场效应晶体管)、LAPS(光寻址电位传感系统)和QDs/SAM/Au(量子点光电化学传感)等生化医学传感器的集成化研究;用于生化医学检测分析的微流控芯片系统的研究;智能化生化医学检测分析应用系统/仪器设备研究;基于生化医学传感器的传感网络研究。

特色与优势:以微电子集成技术为依托,将电子、信息、材料、物理等理论与技术有机结合,对各种传感器平台、智能系统及传感网络,并将其用于生物、化学和医学等检测分析领域。多学科交叉是这一研究方向的最显著特色。该研究方向始建于上世纪80年代,长期从事基于半导体的生化医学传感器研究。先后承担并完成了七五科技攻关、国家自然科学基金、教育部重点、天津市自然科学基金与科技攻关(支撑计划)等多项相关课题的研究。发表研究论文180余篇,申请国家专利多项,并取得了一批标志性成果。特别是关于ISFET、LAPS、SPR等传感器方面的研究处于国际先进水平,在无线传感网络应用及智能传感器算法方面也有深入研究。此外,该方向与日本岗山理科大学、德国Marburg大学和德国Hannover大学具有良好的合作关系,这些都为该研究方向的进一步发展壮大奠定了坚实的基础。

研究方向之四:无线传感网络通信及系统集成关键技术

研究内容:传感网络、移动通信、卫星通信、辅助卫星定位技术、认知无线电以及多层异构蜂窝网络等无线智能网络通信关键技术的研究;信息与信号处理、嵌入式控制和传感器应用等系统集成关键技术研究。

特色与优势:无线传感网络是传感网络的重要组成部分,涉及无线通信、定位技术、信息与信号处理、系统级网络架构等众多技术问题。本方向长期从事相关技术的深入研究,具有明显的技术优势。重点研究了无线通信网络架构、信息传输及协议标准、移动通信应用系统设计与硬件研制、辅助卫星定位技术、超宽带通信技术、传感器节点设计、节点能量检测、组网策略、路由算法、休眠-唤醒机制、网络结构健康监测以及传感网络核心控制芯片设计等。近年来,该方向承担并完成了多项国家级、省部级和研究课题,在国内外核心期刊和国际会议上发表了200余篇高水平的论文,申请、授权了多项发明专利,为该方向的进一步研究与发展提供了有利条件。