重庆鲁汶智慧城市与可持续发展研究院（以下简称：重庆智慧院）是依托重庆现有产业发展基础和市场空间，聚焦全球前沿科学技术，凭借自身特色学科、科研优势和产业转移转化能力，实现科技成果转化的新型高端研发平台。

科技的进步，使各行各业的操作系统和设施设备都在同步优化。工程安全系数的加强、工作效率的提高促进了经济社会的快速发展。重庆智慧院的特聘教授比利时鲁汶大学Michael Kraft聚焦“操作门槛高、技术空白大、应用领域广”的全球领先科技，以市场为基础、理论为依据、自身科研实力为保障创造了多项具有科研意义和社会价值的研发成果。

如今，以比利时鲁汶大学Michael Kraft教授及其团队为主导研发的多芯无创电缆电流功率表能够方便地识别耗电设备，从而在智能家居中监测标准电器的功耗，打造快速定位，精准节能的智慧生活。并且Michael Kraft教授及其团队开发的另外一款处于高效压电微机械超声传感器（PMUT）则通过优化参数和性能，增加传感器的灵敏度，使传感器能够在环境要求更高的条件下也能高效的完成水下通信。基于MEMS的高精度、高带宽电容式加速度计也是重庆智慧院特聘教授Michael Kraft及其团队为主导设计的一套完整的、高灵敏度、低噪声的加速度测量系统。它能够完成技术难度更大、设备要求更高的高频测量，在地震震动检测等领域发挥着重要作用。同时，研究院还致力于桥梁建筑设计、新型建筑材料等内容的研究，亲身参与了包括菜园坝大桥、赣江大桥、重庆来福士广场等多个工程项目。

一、多芯无创电缆电流功率表

（一）技术原理

该仪器将基于使用各向异性磁阻传感器，可以测量高灵敏度的磁场。两轴、低成本传感器作为标准现成组件提供。可以可靠地测量到100 uGauss范围内的磁场（相比之下，地球磁场大约为1高斯）。在电流钳中，四个这样的传感器将以90度角距离集成，测量电力电缆中电流产生的磁场的径向和切向分量。

（二）技术优势

能够检测电流，而无需中断被测电力电缆，或根据最新电流检测方法的需要隔离电力电缆的单芯。该装置还可以针对不同类型的电力电缆进行校准，以便被测电缆的方向与电流测量无关，从而无需对装置进行任何校准。

（三）应用领域

电流测量在用电监测、电气安全和电气故障检测等领域有着广泛的应用。该设备在工业上有用途，可替代现有设备或作为其补充。它可以用作分析工具；可以测量电力电缆内的电流量，并将其与预期的电流量进行比较，有助于系统或建筑物内的故障检测，还可以用于安全应用，因为设备会告诉您正在测试的电力电缆是否载流。

二、高效压电微机械超声用于水下传感器网络的传感器（PMUT）

（一）技术背景

基于低电压（<3V）PMUT的超声换能器水下超声波通信给出了距离为1-2m的传感器节点。这个将PMUT阵列的寄生分量降到最低提高频率响应和功率消费。第一次，耦合的概念压电体微机械超声换能器介绍了cPB-MUT。在cPB MUT中PMUT元件耦合到体硅衬底上通过水的振动，产生强烈的整个基板的振动。这会导致209帕/V@1厘米传输灵敏度及以上43分贝20cm时信噪比，在33 kHz水下，使用3 Vp-p。

（二）技术原理

cPB MUT的制造过程分为两部分：首先，PMUT阵列的制作。第二，电线连接、连接和封装在PCB上实现阵列芯片的cBP MUT。

图1:cBP多点放置的振动位移在水下，位移是标准化的

1、PMUT阵列的制作

如前所述PZT-pmut是大的寄生电容。这个寄生电容消耗了大部分的输入电流功率，可由（2）计算：

其中f是机械共振频率，C是寄生电容，V驱动电压。因此，机械领域接收的功率较小来自前端电子设备。减少寄生PMUT阵列的电容，二氧化硅层除了在膜的顶部，其他地方都有沉积。二氧化硅层的低介电常数PZT可显著降低寄生电压电容。此外，寄生电阻是使用一堆Ti/Ag/Ti/Pt金属层作为顶部电极。

图2:PMUT阵列的制造过程

以SiO2/Ti/Pt为底电极PZT层被设计成接近底部电极；在顶部电极后面的二氧化硅层以减小寄生电容；膜是通过直接还原法制备的用HF气相腐蚀去除盒层。

图2显示了PMUT的制造过程阵列。首先，在SOI上沉积SiO2/Ti/Pt晶圆作为底部电极。然后，1μm PZT层是通过溶胶-凝胶工艺沉积的，并通过图形到底部电极。一个250纳米的二氧化硅层作为隔离层溅射在PZT层的顶部在顶部电极和PZT之间。顶部电极由一堆Ti/Ag/Ti/Pt组成的层以厚度为分别为20纳米/250纳米/20纳米/150纳米。最后晶圆背面被深反应离子蚀刻腐蚀（DRIE）工艺达到埋置氧化物（盒）层和膜被释放用HF气相腐蚀去除盒层。

为了进一步增加每个PMUT的位移，在膜的顶部使用了环形电极挠度过程中的诱导应力具有相反的符号关于膜的中心。戒指电极由180相移信号驱动与中心电极相比。这使得对膜施加弯矩，并导致更高的位移。

2、cPB-MUT的制作

制造和切割的PMUT阵列芯片由两个组件粘附在PCB上环氧树脂。之后，芯片被用电线连接到印刷电路板上。芯片的正面被一个不锈钢盖包裹以保护其不受水的侵害，而芯片的背面阵列芯片通过印刷电路板。这种包装方式保证了水下超声波传播风险最小对任何盐度的水的损害。这个防水和足够高的粘合强度在芯片和PCB之间通过应用在印刷电路板和阵列芯片的背面。Epotek H54由微型分配器涂抹，并在150摄氏度下加热10分钟。

图3所示为PCB上的线状键合芯片不锈钢封装，芯片背面穿过印刷电路板上的孔。

图3:PCB上的线键合PMUT阵列芯片--- 不锈钢盖，用于封装芯片---芯片背面。

（三）技术优势

一种新的基于PMUT的水下通信超声换能器---距离范围为2m，驱动电压小于3.3V。

使用一种降低压电陶瓷基材料RC值的方法，使PMUT数组在制造工艺上起到关键作用。

三、基于MEMS的高精度、高带宽电容式加速度计

（一）技术背景

电容式传感器广泛应用于物理量的测量，如压力、加速度或方向。与传感器相反，传感器由离散的机械元件组成，基于MEMS（微机电系统）的解决方案受到了冲击，并且仍然受到影响，噪音明显增加从而降低了测量性能。

（二）技术原理

我们提出了一种基于MEMS的电容式超低噪声CMOS集成加速度计读出芯片与高精度体微机械传感元素。由此产生的加速度计达到加速度等效噪声仅为200 ng/√Hz，适用于地震测量要求噪音水平显著低于1微克/√赫兹。此外，5千赫以上的高带宽实现了，这也使得所提出的传感器系统适用于高频测量，如预测旋转机械的维护应用。

MEMS传感元件的扫描电镜图像和照片

（三）技术优势

测试装置的示意图如下所示：

我们给出了一个电容式微机械加速度计噪音大，测量精度高。由此产生的每性能噪声远低于1μg/√Hz，这使得加速度计非常适合高精度应用。

（四）应用领域

1、如下图加速度计的框图。地震等应用测量或高灵敏度振动检测，如地震早期检测或振动监测建筑物，要求噪音水平显著低于1μg/√Hz。电流传感器MEMS达到相当低的噪声水平这就允许它们在此类应用中使用。

加速计框图

2、读出集成电路（ROIC）的电噪声增加了MEMS的性能机械噪音。用于高度优化的MEMS传感器高灵敏度和低机械噪声ROIC成为主导。