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走在传感技术研究前沿
发表时间 2017-07-03 09:32 来源 本站原创

  导语:随着新科技浪潮的兴起,世界已经开始进入到信息化时代,IT技术、生命科学和纳米材料学作为三大支柱型科技,引领了未来发展的主要方向。在科技发展的进程中,对于信息的掌握和利用必然被放在首位,传感器是在此过程中获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。传感器技术是推动机器人和其他工业系统设计进步的重要基础,其中,惯性传感器提供的运动信息非常有用,不仅能改善性能,而且能提高可靠性、安全性并降低成本,有可能改善其系统性能或功能的应用还包括:平台稳定、工业机械运动控制、安全/监控设备和工业车辆导航等,在国防军事、资源勘探与开发、地质学研究等领域均具有巨大应用潜力。为此,中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室特聘研究员邹旭东选择了微机电系统(MEMS)技术及高精度惯性传感器为研究方向,走上了一条理论研究与应用开发并行的道路。

  英伦古镇掀起的东方风暴

  2014年,在英国剑桥大学邱吉尔学院院士(Postdoc By-Fellow)的评选中,一个黑头发、黄皮肤的中国面孔出现在来自世界各国不同肤色的候选人之中。凭借着在高精度微机电惯性传感器方面的出色研究成果,他从近百位候选者中脱颖而出,成为10名入选者中惟一的中国人。他就是邹旭东,我国“青年千人计划”入选者,现任中国科学院电子学研究所特聘研究员。

  作为誉满全球的世界顶级研究型书院联邦制大学,剑桥大学是英语世界中第二古老的大学,在建校800多年的历史中曾涌现出牛顿、达尔文等一批引领时代的科学巨匠,造就了培根、凯恩斯等贡献突出的文史学者。学院制是学校最为显著的特色,剑桥大学现有31个独立自治学院,三个女子学院,两个专门的研究生院。其中,邱吉尔学院建立于1960年,半个多世纪以来,学院的Fellow中聚集了一大批杰出的自然科学与工程领域的科研工作者,其中还走出了30多位诺贝尔科学奖获得者。

  邹旭东介绍,为促进不同领域研究者相互之间的交流和头脑风暴,学院为Fellow们提供了诸多便利。在这里有定期举办的学术沙龙,可以听到不同领域的专家讲述各自领域内的最新进展,他们还会用最完善的语言阐述最专业的研究;有免费参加的晚宴和酒会让大家在紧张的教学与科研之余,得以在轻松的环境中畅所欲言,碰撞出思想的火花;还有时常能够在学院里不期而遇的前辈大师,或同行一段路,或共度下午茶时光,无论与他们的交流是否涉及具体的学术问题,但是却能够让人在研究的视野与人生的哲理上获益良多。他加入到这一群体当中,不但研究上遇到的一些困难得以解决,而且收获了诸多全新的灵感与思路。

  “那段经历全方位地促进了我的成长。”邹旭东如是说。他介绍,剑桥大学的知识产权体系、制度相对完善,需要申请专利时,只要把申请文本和创新点写好,就会有专门的机构负责帮助申请。作为研究人员只需要负责与技术相关的问题,其他的事都可以根据协议完成。在协议的框架内,权利人是剑桥大学的产业化机构,发明人是研究人员,可以通过投资金额、应用方向,通过不同的授权方式,体现投资价值和应用价值。在收益方面则有固定的比例分成。完善的机制确保了研究人员可以把更多精力放在技术研发上,必要时候还能根据市场需求做一些技术上的调整,专利授权也会跟着调整。

  在这样一种浓郁的学术氛围、高效的科研机制下,邹旭东不仅在高精度微机电系统加速度传感器的设计、制造、测试等方面取得了重大进展,而且在传感器的电路设计、温度补偿、模态失配机制等领域也取得了多项重大应用性科研成果和基础性研究成果。

  事实上,邹旭东2009年毕业于北京大学元培计划实验班(微电子专业)后,即远赴英国,进入剑桥大学工程系攻读博士学位,主要从事高精度谐振式微机电惯性传感器的研发以及微机电谐振器的相关基础研究。他2013年顺利取得博士学位,之后又从事了多年研究员工作,在那些年中先后得到了英国皇家学会院士、皇家工程院院士、前英国国防部首席科学家、剑桥大学圣凯瑟琳学院院长、电子与光电子系主任、纳米技术终身教授Mark E.Welland爵士,国际MEMS惯性传感器领域的著名专家、剑桥大学微系统技术教授Ashwin A.Seshia和电力电子传感器领域的国际著名专家、Camsemi等三家高科技传感器公司的创始人、剑桥大学电力电子学终身教授Florin Udrea等杰出导师的亲自指导,并接受了世界著名高等学府优秀科研环境的良好熏陶。

  多年的潜心钻研与积淀,成为邹旭东科研事业的基础,为他的科技之梦提供了巨大助力。

  专注微机电传感器技术研发与革新

  邹旭东是标准的“80”后,1986年出生在山东。2006年,在首批“国家大学生创新性试验计划”资助下,进入“北京大学微米/纳米加工技术国家重点实验室”,从此与微机电系统技术研究结下了不解之缘。

  “高新技术的发展必须面向产业,面向世界提升核心竞争力。”对于科研工作,邹旭东有着自己的理解。因此,他在读博士时就要求自己一定要做面向应用的研究,唯有如此,科技上的发展与创新才能实现其固有价值。从博士到担任研究员工作,邹旭东对于“面向产业的技术研发”有着自己的深刻体会。他常说,学术上的创新往往源于应用实践,只有在实践中发现问题、研究问题,才能更好地通过研究产生学术成果。因此,取得成果不能完全依赖研究的前沿性,还必须注重与应用实践的结合。

  MEMS是20世纪80年代末出现的一种战略性高新技术,引起各发达国家的广泛关注,近年来更是形成全球化的产业。随着新一轮技术革命浪潮的兴起,以微传感器、执行器为代表的MEMS技术应用迎来了更广阔的发展空间。MEMS加速度计是最早实用化的MEMS技术成果之一。然而,现有的产品普遍精度较低,少数高精度MEMS加速度计产品受制于传感原理的限制,难以满足特定应用的需求。在英国的那些年中,邹旭东一直从事基于谐振式传感原理的高精度MEMS加速度传感器的研发工作,针对如何提升谐振式微机电惯性传感器测量精度的核心问题设计了一系列高精度微机电加速度传感器,并以此为核心研发了高精度微型测振仪和微型相对重力仪,用于实现对低频、准静态的加速度信号进行精确的立体测量。

  “我的这项研究主要是为满足油气行业对分布式井下局域重力场数据获取的需要,要求仪器设备能够在生产井的环境下正常工作。因此对仪器的体积大小、抗震能力、耐高压高温能力等多个方面具有严格的要求。”邹旭东说。

  经过反复的尝试和实践,他运用完全自主开发的“谐振传感单元、惯性力耦合—放大器与支撑结构联合设计”方法,在保持传感器的微机械结构体积基本不变的情况下,显著提高了谐振式微机电加速度传感器的灵敏度,为实现高精度测量提供了保证。

  邹旭东坦言,在研究过程中曾遇到过很多困难。那时候,他常常是边琢磨,边实验,设计方案不行就想方设法改变,凭借着不懈努力向最终的目标挺进。至今他仍记得在2012年冬天面临的困难——面向应用的科研项目对技术和时间节点的要求很高,而当时正值圣诞节前夕,很多人都准备度假,就在这样一个特殊的时间点上,年终项目要进行中期测试。只有通过测试证明技术的可行性,研究项目才能获得下一阶段的支持。而当时由于合作代工厂的工艺问题,导致收到传感器核心芯片的时间比计划晚了近两个月,可项目的进度必须要保证。面对仅剩不到一个月的时间节点,邹旭东和助手从测试样机的壳体加工,到器件的封装、测试、组装,忙到了几乎没有休息时间。

  关键时候,导师前来帮忙。与往日的方向指导不同,导师拿起了电焊、螺丝刀,无论有多琐碎的事情都一一上手。就这样,从吃住到工作,导师都和大家在一起,最终在限定时间内完成了测试,研究项目得以按时完成。

  这次经历带给邹旭东的不仅是感动,也让他感到了团队的力量。到2014年时,他带领团队研发的首批高精度微型井下测震仪和微型相对重力仪样机,在外场试验中实现了连续稳定的高分辨率加速度测量和超过3000米距离的信号传输,实测传感器的各项指标均达到设计要求,加速度分辨率在0.1-100Hz范围内均好于1×10-6m/s2/Hz1/2,对准静态加速度信号的最小加速度分辨超过50ng,其对1Hz以下加速度分辨率和线性动态范围两项指标均超过了Sercel公司和壳牌石油与惠普公司开发的高精度电容式MEMS加速度传感器约1个数量级,从而成功研制出了一种小型化、低功耗并能够在油气勘探钻井环境下对局域重力场分布实现高精度测量的传感设备。

  而邹旭东并未满足于此。他始终坚持,应用才是产品实现价值的最大体现,为实现高精度谐振式微机电加速度传感器的批量生产,他与微机电系统芯片代工企业Silex Microsystems公司合作开发了一套基于8英寸硅片的先进微加工工艺流程及相应的设计规范。在此过程中使用了包括多层SOI硅片键合、大深宽比各向异性刻蚀、全硅通孔连接和全片真空封装在内的多项先进工艺,还先后攻克了同时精确制备毫米级与微米级微机械结构、消除TSV电学寄生效应与残余应力和全片多层键合真空封装等关键技术。最终采用该工艺流程生产的加速度传感器芯片成品率超过95%,真空封装年漏率小于万分之一,初步达到批量化生产的要求。

  邹旭东的这一研究获得了英国技术战略委员会和英国石油公司的长期支持,相关原理和设计方法已获得国际专利授权,并在欧盟、美国、中国、沙特等国家获得专利保护。同时,该传感器的优异性能也引起了国际学术界的广泛关注与高度认可。目前,由英国石油公司和剑桥大学联合成立的Silicon Microgravity Ltd.公司正基于该传感器核心技术开发多种创新性的产品和技术。投入应用后可降低油气勘探成本30%以上并能够将地下水位对生产井造成威胁的预警时间由数天提前到数周,将单块油田的开采率提升1%-1.5%。

  邹旭东介绍,MEMS传感技术在该领域的成功应用,有望为传统的油气行业井下传感器技术,带来新的革命。他在相关技术研发上取得的成就,也为日后的研究奠定了基础。

  在不懈探索中前行

  精准的温度漂移补偿是目前国际上各类谐振式硅基微机电系统传感器亟待解决的技术难题。邹旭东利用加速度传感器的特定结构,在充分研究了可能导致温度漂移的多种因素的基础上,充分运用材料学、非线性微机械结构以及校准信号注入与频率分离等技术手段,创新开发了一种有效的宽温区温度漂移精确补偿的系统技术方法。实践证实,使用该技术后,加速度传感器零输入下输出频率的温度漂移系数减小了两个数量级,达到0.5ppm/K,并实现了灵敏度的在线校准,从而大大拓展了谐振微机电系统加速度传感器可以稳定工作的环境温度范围,也为其他谐振式微机电传感器的温度补偿提供了新的思路与方案。

  同时,邹旭东还负责开发了一款体声波硅微机电陀螺,能够满足在钻井中准确监测和控制微型相对重力仪的布设。这种新型微机电陀螺的结构不同于市面上的常规产品,器件完全基于全对称结构的体声波谐振器,并利用其—对简并模态间的科氏力耦合原理设计研发而成。它通过采取耦合式锚定与旋转对称的通孔阵列两种微机械结构设计,极大地改善了由谐振器锚点和加工误差引起的模态频率失配,从而大幅度提高了角速度分辨率。相比于常规的微机电陀螺,在实现高精度的同时还具有更好的抗震动、抗冲击特性。

  “实测证明了两个选定简并模态在真空下品质因数均超过106,在无外加补偿条件下两者的谐振频率差异小于3ppm,并可通过偏制电压调节实现模态的完全匹配。由此折算的角速度分辨率超过4×10-4dps/Hz1/2,角度随机游走小于0.4o/hr1/2,偏置稳定性好于5deg/hr。上述指标完全满足对井下传感器位置姿态的测量与控制需求。”邹旭东解释。除上述优势外,体声波硅微机电陀螺作为通用陀螺仪还初步达到了美国国防高等计划研究部2012年提出的实现空-地战术导弹惯性制导的技术要求,与美国佐治亚理工大学等世界著名实验室最新发表的研究成果处于同一水平。

  除上述成果外,邹旭东还开发了两种适用于谐振式微机电传感器的闭环和开环检测电路。一是基于振荡器原理的ASIC检测电路,利用亚阈值导通放大、注入电荷偏置等技术使传感器核心部件的电路功耗大幅度降低到小于15微瓦;另外基于数字频率合成技术及相位/幅度综合测量方法的开环检测电路,有效地克服了近载波噪声调制效应,在相同噪声条件下使传感器对超低频信号的分辨率提高了约一个数量级,为微型相对重力仪的成功研发提供了重要技术支持。

  除此之外,邹旭东在微机电系统谐振器与振荡器领域进行了一些深入且具有原创价值的基础研究,包括:谐振式微机电系统传感器噪声的物理机制与建模,非线性微机电系统振荡器的频率稳定性及其影响因素,多维弱机械耦合微机电系统谐振器的模态局域化效应及其应用,耦合微机电系统谐振器受迫振动下的模态畸变与分叉现象等。这一系列论文均发表在Journal of Microelectromechanical Systems以及Transducers等领域内顶级期刊和国际学术会议上,为学科发展作出了重要贡献。

  耿耿赤子报国情

  如果说微电子给20世纪带去了信息革命,那么微机电系统就是将在21世纪发展成为庞大的高新技术产业、极大改变人们生产与生活方式的新技术。邹旭东相信,在新一轮全球化物联网及工业4.0革命浪潮的推动下,各行各业对于微型传感器的需求必将与日俱增。

  因为深刻认识到微机电系统技术是当前国际上公认的开发微型传感器的尖端技术,国家急需掌握核心芯片技术的人才,他毅然放弃了国外的优厚条件,选择了回归祖国,将所学服务国家。对于这一选择,他表示:“国内现在的研究条件非常好,而且我想做的事与10年前也是没有变化的。当前我的主要工作将聚焦在成功开发出在技术上具备国际领先水平并具有较大市场规模的微机电传感器产品上,同时加强传感器从设计到制造工艺上的标准化融合,从而最终建立芯片融合的传感器整体设计开发与加工制造的能力。所以总觉得时间不够用,恨不得一天24小时都投入到工作中去,多做些研究,多跑些地方。”简单的话语,道尽了他无悔的坚持。

  邹旭东介绍,因为高精度惯性传感器能够大量应用于精确制导武器、军事运载平台导航等领域,所以一直被美国等西方发达国家列为出口管制与技术封锁的重点对象。我国即使进口用于民用资源勘探开发和地质学研究的相关产品,也面临着外国厂商对出口数量的严格控制以及高昂的采购价格。开发具有自主知识产权并具备自主生产能力的高精度微机电加速度传感器对于我国的国防建设与国民经济发展具有十分重大的战略意义。为此,他深感肩上责任重大。

  最近这几年内,他将重点研究高精度加速度传感器核心架构,以及在此基础上衍生出的面向多种应用的加速度传感器产品。他指出,未来传感器的核心芯片将采用模块化的设计,结构性模块的设计将充分利用计算机的3D建模与有限元分析工具,建立各个模块的设计模型库以及系统级的计算机模拟仿真流程,并可以根据不同的加工工艺以及应用需求对模块设计做出迅速有效的调整。此外功能性模块的设计则不但需要建立模型库和仿真流程,还将与传感器的ASIC电路设计实现融合,使每个功能性模块具有与之配套的ASIC优化设计以形成MEMS-ASIC IP,从而在开发系列传感器产品时大大节省配套电路的开发与调试时间。

  同时,邹旭东还将利用微机电系统技术开展不依赖于卫星的微型定位—导航—计时模块的开发研究。他指明,该研究涉及高精度微惯性传感器、高稳定性时间基准、处理电路与算法、精密机械加工、系统集成与兼容性等多个方面,因此在发挥自身的技术积累和优势的同时,必须要通过开展广泛而密切的研究合作,才能尽早实现这一关键技术成果的突破。若研发成功,除在国防军事领域的重要价值外,还可在无人驾驶汽车、小型无人飞行平台、智能机器人以及手持设备上实现高精度的自主导航,极大地推动上述技术的应用和发展。因此,为了实现该技术的新突破,未来他还将更加坚定不移地奋斗下去。

  “做科研不是一人之功,我所有的成就都得力于团队的培养和协作,也希望能够通过我自己的努力,建立一支过硬的科研队伍,运用微机电系统和传感器的先进技术面向关键领域的重要需求做出更多的应用性成果。”邹旭东说。截至目前,他在MEMS领域期刊及国际会议上共发表论文近二十篇,申请6项国际专利(1项授权),并与国外公司合作开发成功一套专用微加工工艺流程,采用该流程生产的加速度传感器芯片成品率超过95%,达到批量化生产的要求。在他和团队的共同努力下,梦想正在逐渐变为现实。