固态纳米孔芯片加工和生物单分子检测Word格式文档下载.docx

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应用领域：

电动车制造业

技术转化条件：

五十平方米以上的办公用房，电脑、工作站若干，相应软件，也可与卡片封装单位共同合作。

合作方式及条件：

根据具体情况面议

单相自适应重合闸装置

成果的背景及主要用途：

目前，国内外的自动重合闸装置在断路器跳闸后，不论故障性质是瞬时性或永久性，都采用盲目重合的方式。

若重合在故障上，会给电力系统带来的巨大危害；

另外，输电线路瞬时性故障发生的几率高达70%以上，因此，深入研究瞬时性故障特征，是保证重合成功的关键。

自适应自动重合闸的主要任务就是对瞬时性故障或永久性故障进行预先判断,以确定重合闸是否动作，这对保证电力系统可靠运行具有重大意义，同时具有巨大的经济效益。

电压判据、补偿电压判据、组合补偿电压判据是利用瞬时性故障情况下恢复电压高于线路互感电压这一特点来区分故障性质。

相位判据是根据故障后断开相恢复电压的相位特性来区分故障性质的。

其基本原理是瞬时性故障情况下，电容耦合电压与电磁耦合电压之间的角度接近于90度，而永久性故障情况下，电容耦合电压为零，利用相位判据的计算公式所得为0度角，因此可以准确判定故障性质。

本项目提出了基于相位判据、电压判据等相结合的单相自适应重合闸综合决策系统，并开发了基于DSP和单片机的双CPU实现的单相自适应重合闸装置。

技术水平及专利与获奖情况：

本课题提出了单相自适应重合闸综合决策系统，并且开发出了国内第一台单相自适应重合闸装置，填补了该领域的国内空白，其技术经济指标很高。

目前国外亦无此类成熟产品。

正在申请部分理论成果的专利。

本项目开发的“单相自适应重合闸装置”已于2003年3月在重庆电网500kV长寿站的220kV长代东线路投入试运行。

试运行期间，装置工作正常，动作正确。

该项自适应重合闸技术对于保障电力系统安全、可靠运行具有重大意义，其推广应用可为电网的连续可靠供电做出很大贡献，并可减少重合闸重合于故障对电网、用户和设备带来的损失。

电力系统超、特高压输电线路。

目前自动重合闸功能与继电保护功能是集中于一套装置内实现的。

本项目研制的单相自适应重合闸技术可直接应用于现有的继电保护装置内，无须增加任何硬件成本，只需将自适应重合闸功能在保护装置内实现即可。

无理论刃形误差插齿刀

项目背景及主要用途：

齿轮加工精度受三方面因素影响：

1）机床精度

2）夹具精度

3）刀具精度。

目前机床和夹具都已达到较高精度，刀具设计制造有待提高。

插齿加工是很成熟的工艺方法，根据现行的插齿刀设计原理，加工出来的齿轮理论上就存在误差，精度一致性差，如果能从设计原理上减小甚至避免误差，就会大大提高插齿加工精度。

在此基础上，进一步提高刀具制造精度，有可能改变插齿仅作为粗加工的现状，实现插齿加工作为精加工的设想。

无理论刃形误差插齿刀可用于各种圆柱齿轮的插齿加工，可有效保证精度和精度一致性。

技术简介：

根据现行插齿加工原理，理论上展成运动中起络作用的是刀刃在端面内的投影。

齿形为渐开线，然而由于设计有前角，刀刃在端面的投影已经不是渐开线，因而出现理论刃形误差。

在实际生产中采用刀刃形修正的方法来减少误差，但无法从根本上避免误差。

本技术通过改变插齿刀的拓扑结构及各结构的构造方式，达到消除理论刃形误差的目的。

如图所示，改变后刀面与前刀面相交形成切削刃的形成方式，由齿面的共轭面（共轭面在端面的投影为正确齿形）与前刀面相交形成切削刃。

由于切削刃处于共轭面上，因此切削刃在端面的投影为正确渐开线。

刃磨之后，前刀面和共轭面的位置发生变化，相交形成新的切削刃，由一系列的切削刃构造后刀面。

与圆柱齿轮加工相关的行业

1200平米厂房，精密插齿机床数台，五轴工具磨床1台

移动式高功率激光再制造系统

项目概述

移动式激光再制造系统以高功率激光熔覆及现场磨削加工技术为基础，集先进高能束技术、材料成型技术、无损检测技术、数控铣/磨削技术为一体，能在工作现场使损坏的工件恢复原有或近形的尺寸，而不需要将设备进行拆卸和运输，修复后的性能可达到或超过原基材水平，使基体材料具有优良的耐磨、耐腐蚀、抗高温等性能。

应用范围

移动式高功率激光再制造系统易于安装、操作简便、体积小，便于移动，能适应复杂的工作环境，可以随意到达指定修复现场进行快速修复。

与传统固定式激光熔覆系统相比，为企业设备的维修提供一种新型的修复方式，降低了企业大型设备返厂修复时间，解决设备运输困难等问题，为企业节省了修复成本。

可广泛用于电力（如电厂汽轮机及发电机转子轴）、军工及采矿等行业；

还可应用于石油、钢铁行业特大型部件的现场修复及大型航空零部件的激光直接制造、新型轧辊的激光制造和飞机发动机部件的激光修复等等。

技术优势

与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积等修复技术相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。

移动式高功率激光再制造包括完整的现场修复工艺流程，如修前无损检测、现场清理疲劳层、激光熔覆加工、机械精加工等。

采用体积、重量小的半导体激光器和非固定安装的工业机器人，可方便实现激光熔覆系统的现场移动。

通过更换不同的现场磨削加工设备，可实现现场各种不同类型工件的机械精加工，其加工精度可达到IT7级及以上。

图1现场激光熔覆图2移动导轨式机器人图3轴类工件磨削

研究阶段

本项目在已经成熟的固定式激光修复系统基础上，进行可移动式设计，包括可移动式机器人、现场加工系统等。

针对现场中使用最多、且易磨损的轴类零件，设计了一种移动式现场磨削系统，该系统与激光熔覆系统共同完成现场轴类零部件的修复。

目前，移动式高功率激光再制造系统的关键技术已基本成熟，下一步将进行小批量生产、进行修复实验、改善生产工艺、扩大可移动式修复范围。

摩擦发电机

利用能量采集技术，从生活和自然环境采集能量为电子设备供能，是近些年学术界和产业界的研究热点。

包括IBM、三星（Samsung）、富士通（Fujitsu）等很多业界巨头都非常重视能量采集技术的研发，投入了大量资金开发各种类型的微型能量采集装置。

但目前仍然处于原型研发阶段，鲜有相关产品面世或推广，其中较为突出的是日本精工。

精工公司将惯性能量采集器集成于石英表中，开发了人动电能自充电手表（SeicoKinetic），目前已在全球销售逾1000万只，销售额逾20亿美元。

微型能量采集技术面对的几乎是一个全新待开发的产业，主要针对分布式无线传感网络（以物联网为主导）、可植入式医疗器件、自供能传感系统、可穿戴电子设备及便携电子设备等应用领域。

上述领域中包括手机、平板等便携电子设备的庞大市场毋庸赘述，而无线传感网络、可植入式医疗器件、可穿戴电子设备等。

1、手持电子设备的电能补充：

可给智能手机、平板电脑、电子书等手持设备的电池充电，使手持电子设备超长待机或免充电。

例如：

●制成透明薄膜与触屏结合，当触动屏幕时产生电量，给屏幕供电，多余的电量可以给自身电池充电，平时感受外界震动产生电能给自身电池充电；

●制成手机充电后盖与手机充电电路连接，直接给手机电池充电；

●制成独立的手机充电外壳或扁平充电模块粘贴到手机后面，通过USB给手机充电。

2、便携机的供电：

在便携机键盘下方放置这种微型震动能量采集器阵列，与电脑充电电路连接，当敲击键盘时给便携机充电。

3、物联网领域：

各种物联网传感器的供电（例如交通监控、动物放养跟踪、田间管理、洋流/水系监测、气象探测、环境监控等）；

4、其它领域：

发电地板、发电鞋底、医疗、自供电玩具、TPMS（胎压检测）等。

微型震动发电机基于摩擦生电原理，采用微纳复合结构的表面材料以及独创的单面摩擦技术，显著提高了发电机的输出性能，其输出电压高达465V，输出电流达到120uA，功率密度为60mW/cm3，无需任何外接电路，即可成功驱动200个以上的并联商用LED工作。

加工方法基于较为成熟的FPCB技术，成本低、效率高且适宜于大面积加工和大批量生产。

技术水平

申请国际专利4项

一种折叠式微型震动发电机及其制造方法，国际申请号：

PCT/CN2013/071363

一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法，国际申请号:

PCT/CN2013/072522

一种震动发电机及其级联结构发电机，国际申请号：

PCT/CN2013/071372

一种微纳集成发电机及其制备方法.国际申请号：

PCT/CN2013/00398

申请中国发明专利10项

一种折叠式微型震动发电机及其制造方法，申请号：

201310021766.3

一种单摩擦表面微型发电机及其制造方法，申请号:

201310032306.0

一种震动发电机及其级联结构发电机，申请号：

2013100221442

一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，申请号：

201310099750.4

一种微纳集成发电机及其制备方法，申请号：

201010530458.9

一种基于纳米摩擦发电机的主动式可视化湿度检测系统，申请号：

201310317692.8

一种高性能纳米摩擦发电机的制备方法，申请号：

201310319347.8

压电摩擦复合式微纳发电机及其制备方法，申请号：

201310024565.9

一种r型复合式微纳发电机，申请号：

201310297913.X

一种基于横向摩擦的单表面摩擦发电机及其制备方法，申请号：

201310293792.1

正在撰写的国际专利2项

拟申请的中国发明专利8-10项

研究所处阶段

未来2～3年内项目技术研究开发要做的工作及预期达到的效果。

未来2～3年内项目技术将主要进行如下三方面研究开发：

1.完善微型发电机后端能量管理和存储，实现高效率的AC-DC转换，为电子设备提供完整的自供能方案。

2.对现有知识产权内已开发的几种微型发电机原型进行改进，以现有结构设计为基础，从材料、结构机械性能、封装等方面进行更深入研究开发，提高微型发电机性能及使用寿命。

3.利用现有工业研究成熟且广泛运用的柔性印刷电子、纳米压印、注塑成型等制造工艺，开发具有工业生产规模的微型摩擦发电机的制造方法和设备，实现对微型摩擦发电机高效，低成本，高产率，高重复率的制造。

市场状况及市场预测

市场及其支撑技术目前正处于萌芽或发展阶段，未来3～5年将是其快速成长期，具备极强的增长潜力。

投资与成本估算，效益分析

过去2年项目研究开发经费投入情况。

●材料及微纳米制造：

30万

●制造及测试仪器设备：

40万

●器件设计、开发：

80万

●知识产权保护：

20万

计划未来3年内投入研发800万元，主要用于开发大规模生产设备、处理电路和自供电产品的生产与测试。

预计实现销售1000万元，净利润200万元。

项目所需投资额、融资用途，估值情况及其他投资条款要求。

计划寻找项目支持和风险投资1000万元，技术估值待定。

合作方式

初步计划只授权不转让。

本项目依托北京大学物理学院纳米结构与低维物理实验室，该实验室是固态纳米孔在国内研究的开创者，具有国际一流的科研实力。

实验室掌握了各种先进的纳米孔器件制备技术，通过一系列可兼容的半导体微纳加工工艺，可以批量，大规模，可控的实现芯片级别（4英寸，包含500～600个纳米孔芯片）的纳米孔芯片加工。

其中，纳米孔通过透射电子显微镜中高能电子束制备，尺寸在2～100nm区间精确可调，可控精度高达1nm。

纳米孔通道厚度在20～80nm间精确可控。

通过膜片钳技术和成熟泳池封装技术，可实现成功率在96%以上的单分子检测。

在成熟开展SiN纳米孔芯片加工和检测技术基础上，拥有精确，可控加工更为先进的石墨烯纳米孔器件方法，纳米孔尺寸在2～50nm精确可调，厚度从1～10nm可调。

通过引入压强的技术（已申请三项专利），可以大幅提高纳米孔芯片探测分辨率，实现对短链，不同长度分子区分，以及近中性分子检测。

可实现尺寸在10nm以上单分子（DNA，蛋白，RNA）等不同生物分子的检测，可实现长度，单双链，尺寸，二级结构，表面修饰等多种信息的识别、区分及检测。

此外，还可实现不同生物分子（如蛋白等）的带电量测量和测算。

项目优势

利用创新性的将压强引入到纳米孔中的技术，可将单分子检测时间分辨率提高1～3个数量级，逼近DNA测序所需要求，同时保持了很高的测量信噪比和分子捕获率，是本领域内一大突破。

利用该技术可实现对不同长度的分子检测和近中性（或带微弱电荷）的生物分子检测；

并且还可实现单分子捕获-释放-再捕获过程，进行对单分子的精确操控。

并且还可实现单分子的电荷测量和计算。

专利情况

1.核酸分子在固态纳米孔中的减速方法（专利号：

201210039855.6）鲁铂，赵清，俞大鹏（发明专利）；

注：

此专利与美国哈佛大学共同申请、共享。

2.一种基于固态纳米孔对核酸分子进行减速及单分子捕获的方法（专利号：

201210065833.7）赵清，鲁铂，俞大鹏（发明专利）；

3.一种基于固态纳米孔对核酸分子进行减速及单分子捕获的方法（PCT国际申请，国际申请号PCT/CN2012/000840）赵清，鲁铂，俞大鹏（发明专利）；

；

4.一种基于纳米孔器件对生物分子探针标定DNA的特异位点进行检测的方法（专利号：

201210207703.2）鲁铂，唐智鹏，赵清，俞大鹏（发明专利）

未来可能获得2～4项基于该技术的发明专利，包括对单分子带电量的测算技术，利用电泳胶提高探测时间分辨率的技术，纳米孔表面修饰技术以及与生物膜蛋白进行融合等方面的先进技术。

项目所处阶段

基于（生物/固体）纳米孔的单分子检测技术被认为是第三代测序技术最具希望突破的单碱基分辨高速低成本测序技术之一，一旦获得实质性突破，将带来人类医学/医疗与健康的革命，市场前景与价值无可估量。

本项目基于有限目标的固体纳米孔芯片的加工制造与销售、修饰单分子DNA/RNA快速低成本检测上。

目前，国内行业内基于该项目的产品以及其应用服务尙处于空白阶段，但国外相关公司“牛津纳米孔”（OxfordNanoporesInc.）正进行应用领域的研发（主要是快速低成本的基因组测序整体解决方案研发）。

所以，前期核心纳米孔芯片在进入国内外市场时将无竞争压力，可以灵活应对市场需求，发掘潜在客户。

作为新型的单分子分析测量手段，纳米孔芯片将在国内外相关高等科研院所具备较高的潜在需求，市场规模十分可观。

预计未来三年内行业需求将增长迅速，具备非常大的增长潜力。

1.未来2～3年，拟开展将生物膜蛋白（具有天然纳米孔道）移植到固态纳米孔芯片器件上，利用后者溶液稳定性和前者对生物分子很好的生物相容性，开展单分子检测以及尝试性基因测序研究。

预期达到比现有技术更高的检测分辨率和尝试性实现对4中不同碱基的分辨。

2.开展在DNA等长链分子表面的特定位点进行修饰，通过识别修饰的相对位置和大小，预期可探测到基因突变在单分子水平上二级信号的差异，帮助从单分子水平上识别、诊断早期的基因疾病。

3.继续完善石墨烯纳米孔的加工制备技术，找到合适的表面修饰方法，结合电泳胶方法减速分子，利用石墨烯超高空间分辨率，攻克检测单链DNA分子并尝试分辨碱基的技术堡垒。

项目所需投资额及用途

过去2年项目研究开发共投入科研经费近200万元，包括购置两台膜片钳测试系统，纳米孔芯片加工制造所需仪器设备使用费，加工测试费，实验用各种小型仪器设备，所需源材料、试剂、耗材费用等。

未来3年项目研发生产投入情况及收入、净利润等主要科目的财务预测：

所需设备包括计算机、分析表征设备（透射电子显微镜）、微纳加工平台等。

部分设备可以使用公共科研平台。

项目研发生产投入在300万～500万元。

前期每个封装完成的固态纳米孔核心器件成本100元，售价200～400元，每年6000～10000个，则利润在60万以上。

后期提供的完整解决方案，包括单分子电量测试设备以及第二代基因组测序后端数据连接服务，总体利润在500万以上。

项目所需投资额大约在500万元左右，用于纳米芯片加工中用到加工设备使用费，技术服务费，加工测试费，研发用小型仪器设备，各种材料、耗材、试剂等。

技术合作或技术咨询

多自由度精密位移平台

多自由度精密位移平台由压电马达驱动，包含传感器、驱动器和控制器等部件，是精密仪器运动控制系统的核心部分，也是精密加工设备、医疗设备、微电子制造检测设备、测量仪器、印刷设备、生物医疗设备、自动化生产线的关键组件。

其压电马达具有高分辨率、小尺寸、低能耗等特点，其运动控制部分采用先进的EtherCAT（通用超高速以太网现场总线）方案，使系统不仅更简洁、更灵活，还具有更好的实时性。

与国外同类产品相比节省了成本且在性能和应用领域等方面具有很大优势。

本项目产品主要针对医疗设备、精密测量设备和微纳米加工市场，可应用于高端微电子装备、精密仪器仪表、计算机、工业控制系统、航空航天、智能机器人等领域。

主要客户为光学、电子显微镜制造商、DNA、细胞及组织检测设备制造商、纳米材料研究及生产单位。

技术指标

多自由度精密位移平台重复定位精度：

优于1.0μm，最小步长：

优于0.1μm，驱动方式：

单相脉冲，最大速度：

大于200mm/s，最大加速度：

2g，最大行程：

300mm，可多轴同步驱动：

控制时延时不超过100μs。

本项目申请了多项专利，其中2项发明专利和6项实用新型专利已经授权，申请了2项软件著作权。

本项目已完成研发，可小批量生产，产品处于试销阶段，已销售有近百套。

下一阶段将在原有产品上升级，开发带PID功能的控制器和增加EtherCAT接口。

纳米级三维探针台

纳米级三维探针台由压电马达驱动，包含传感器、驱动器和控制器等部件，是精密仪器运动控制系统的核心部分，其压电马达具有高分辨率、小尺寸、低能耗、稳定性高、无返程空回等特点。

其运动控制部分采用驱控一体的压电专用控制器,使系统不仅更简洁、更灵活，还具有更好的实时性。

本项目产品主要应用于电子、光伏、材料、医疗等行业的测试和微纳米操作。

按测试样品分类可进行晶圆测试、LED测试、功率器件测试、MEMS测试、PCB测试、液晶面板测试、太阳能电池片测试、材料表面电阻测试、纳米器件测试等；

按应用分类可进行射频测试、高温环境测试、低温真空测试、低电流（fA）测试、I-v/c-v/p-iv测试、高压大电流测试、特殊气体环境测试、强磁环境测试、纳米操作、细胞穿刺等。

纳米级三维探针台在0.3～15000μm范围内连续可调，步长分辨率优于0.2um，驱动方式：

脉冲加方向，速度在1～100mm/s范围内可调，最大加速度3g，最大行程：

30mm，响应时间小于1ms。

本项目已完成研发和中试，可以量产。

产品已经在市场试销，反映良好。

下一阶段将推出运动精度达到纳米级的加强版，使运动控制精度到达10nm以内。

同时还将增加温控装置，使样品台可在摄氏-55～125摄氏度之间调节。

智能仿生水中机器人

“智能仿生水中机器人”是指模仿水生生物的生活特点、从事水中作业的机器人。

智能水中仿生机器人的种类包括：

仿生机器鱼、仿生机器海豚和机器海龟等多种智能水中仿生机器动物。

水中仿生机器人可以方便地搭载各种传感器和执行器，进行水环境下的信息收集与监测；

还可以与大型公共场所的各种演艺、展览和游乐相结合，产生更具科技元素的景观。

本项目处于国内高技术前沿，原创性特征明显，为多学科相结合的综合高科技成果，多次在国际性比赛中获得大奖。

该技术已经完成了实验室阶段的样品开发，做过多次实际水域环境的工作测试，特别地，2012年机器鱼成功首航北极地区。

相关科研成果多次代表北大被党和国家的各级领导人参观考察，特别是2013年全国科技活动周上，机器鱼作为北京大学重点科研成果进行了全程展示。

国务院副总理刘延东和科技部长万钢对机器鱼的研究成果和应用前景给予了高度肯定。

图1多关节仿生机器鱼图2双自由度胸鳍机器鱼

图3仿生机器海豚图4模块化机器鱼

图5自主机器鱼图6五连杆两栖机器人

图7仿箱鲀自主机器鱼的结构透视图图8机器鱼成功首航北极

图9党和国家领导人视察机器人