導語：隨著新科技浪潮的興起，世界已經開始進入到信息化時代，IT技術、生命科學和納米材料學作為三大支柱型科技，引領了未來發(fā)展的主要方向。在科技發(fā)展的進程中，對于信息的掌握和利用必然被放在首位，傳感器是在此過程中獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。傳感器技術是推動機器人和其他工業(yè)系統(tǒng)設計進步的重要基礎，其中，慣性傳感器提供的運動信息非常有用，不僅能改善性能，而且能提高可靠性、安全性并降低成本，有可能改善其系統(tǒng)性能或功能的應用還包括：平臺穩(wěn)定、工業(yè)機械運動控制、安全/監(jiān)控設備和工業(yè)車輛導航等，在國防軍事、資源勘探與開發(fā)、地質學研究等領域均具有巨大應用潛力。為此，中國科學院電子學研究所傳感技術聯(lián)合國家重點實驗室特聘研究員鄒旭東選擇了微機電系統(tǒng)(MEMS)技術及高精度慣性傳感器為研究方向，走上了一條理論研究與應用開發(fā)并行的道路。
英倫古鎮(zhèn)掀起的東方風暴
2014年，在英國劍橋大學邱吉爾學院院士(Postdoc By-Fellow)的評選中，一個黑頭發(fā)、黃皮膚的中國面孔出現(xiàn)在來自世界各國不同膚色的候選人之中。憑借著在高精度微機電慣性傳感器方面的出色研究成果，他從近百位候選者中脫穎而出，成為10名入選者中惟一的中國人。他就是鄒旭東，我國青年千人計劃入選者，現(xiàn)任中國科學院電子學研究所特聘研究員。
作為譽滿全球的世界頂級研究型書院聯(lián)邦制大學，劍橋大學是英語世界中第二古老的大學，在建校800多年的歷史中曾涌現(xiàn)出牛頓、達爾文等一批引領時代的科學巨匠，造就了培根、凱恩斯等貢獻突出的文史學者。學院制是學校最為顯著的特色，劍橋大學現(xiàn)有31個獨立自治學院，三個女子學院，兩個專門的研究生院。其中，邱吉爾學院建立于1960年，半個多世紀以來，學院的Fellow中聚集了一大批杰出的自然科學與工程領域的科研工作者，其中還走出了30多位諾貝爾科學獎獲得者。
鄒旭東介紹，為促進不同領域研究者相互之間的交流和頭腦風暴，學院為Fellow們提供了諸多便利。在這里有定期舉辦的學術沙龍，可以聽到不同領域的專家講述各自領域內的最新進展，他們還會用最完善的語言闡述最專業(yè)的研究;有免費參加的晚宴和酒會讓大家在緊張的教學與科研之余，得以在輕松的環(huán)境中暢所欲言，碰撞出思想的火花;還有時常能夠在學院里不期而遇的前輩大師，或同行一段路，或共度下午茶時光，無論與他們的交流是否涉及具體的學術問題，但是卻能夠讓人在研究的視野與人生的哲理上獲益良多。他加入到這一群體當中，不但研究上遇到的一些困難得以解決，而且收獲了諸多全新的靈感與思路。
那段經歷全方位地促進了我的成長。鄒旭東如是說。他介紹，劍橋大學的知識產權體系、制度相對完善，需要申請專利時，只要把申請文本和創(chuàng)新點寫好，就會有專門的機構負責幫助申請。作為研究人員只需要負責與技術相關的問題，其他的事都可以根據(jù)協(xié)議完成。在協(xié)議的框架內，權利人是劍橋大學的產業(yè)化機構，發(fā)明人是研究人員，可以通過投資金額、應用方向，通過不同的授權方式，體現(xiàn)投資價值和應用價值。在收益方面則有固定的比例分成。完善的機制確保了研究人員可以把更多精力放在技術研發(fā)上，必要時候還能根據(jù)市場需求做一些技術上的調整，專利授權也會跟著調整。
在這樣一種濃郁的學術氛圍、高效的科研機制下，鄒旭東不僅在高精度微機電系統(tǒng)加速度傳感器的設計、制造、測試等方面取得了重大進展，而且在傳感器的電路設計、溫度補償、模態(tài)失配機制等領域也取得了多項重大應用性科研成果和基礎性研究成果。
事實上，鄒旭東2009年畢業(yè)于北京大學元培計劃實驗班(微電子專業(yè))后，即遠赴英國，進入劍橋大學工程系攻讀博士學位，主要從事高精度諧振式微機電慣性傳感器的研發(fā)以及微機電諧振器的相關基礎研究。他2013年順利取得博士學位，之后又從事了多年研究員工作，在那些年中先后得到了英國皇家學會院士、皇家工程院院士、前英國國防部首席科學家、劍橋大學圣凱瑟琳學院院長、電子與光電子系主任、納米技術終身教授Mark E.Welland爵士，國際MEMS慣性傳感器領域的著名專家、劍橋大學微系統(tǒng)技術教授Ashwin A.Seshia和電力電子傳感器領域的國際著名專家、Camsemi等三家高科技傳感器公司的創(chuàng)始人、劍橋大學電力電子學終身教授Florin Udrea等杰出導師的親自指導，并接受了世界著名高等學府優(yōu)秀科研環(huán)境的良好熏陶。
多年的潛心鉆研與積淀，成為鄒旭東科研事業(yè)的基礎，為他的科技之夢提供了巨大助力。
專注微機電傳感器技術研發(fā)與革新
鄒旭東是標準的80后，1986年出生在山東。2006年，在首批國家大學生創(chuàng)新性試驗計劃資助下，進入北京大學微米/納米加工技術國家重點實驗室，從此與微機電系統(tǒng)技術研究結下了不解之緣。
高新技術的發(fā)展必須面向產業(yè)，面向世界提升核心競爭力。對于科研工作，鄒旭東有著自己的理解。因此，他在讀博士時就要求自己一定要做面向應用的研究，唯有如此，科技上的發(fā)展與創(chuàng)新才能實現(xiàn)其固有價值。從博士到擔任研究員工作，鄒旭東對于面向產業(yè)的技術研發(fā)有著自己的深刻體會。他常說，學術上的創(chuàng)新往往源于應用實踐，只有在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、研究問題，才能更好地通過研究產生學術成果。因此，取得成果不能完全依賴研究的前沿性，還必須注重與應用實踐的結合。
MEMS是20世紀80年代末出現(xiàn)的一種戰(zhàn)略性高新技術，引起各發(fā)達國家的廣泛關注，近年來更是形成全球化的產業(yè)。隨著新一輪技術革命浪潮的興起，以微傳感器、執(zhí)行器為代表的MEMS技術應用迎來了更廣闊的發(fā)展空間。MEMS加速度計是最早實用化的MEMS技術成果之一。然而，現(xiàn)有的產品普遍精度較低，少數(shù)高精度MEMS加速度計產品受制于傳感原理的限制，難以滿足特定應用的需求。在英國的那些年中，鄒旭東一直從事基于諧振式傳感原理的高精度MEMS加速度傳感器的研發(fā)工作，針對如何提升諧振式微機電慣性傳感器測量精度的核心問題設計了一系列高精度微機電加速度傳感器，并以此為核心研發(fā)了高精度微型測振儀和微型相對重力儀，用于實現(xiàn)對低頻、準靜態(tài)的加速度信號進行精確的立體測量。
我的這項研究主要是為滿足油氣行業(yè)對分布式井下局域重力場數(shù)據(jù)獲取的需要，要求儀器設備能夠在生產井的環(huán)境下正常工作。因此對儀器的體積大小、抗震能力、耐高壓高溫能力等多個方面具有嚴格的要求。鄒旭東說。
經過反復的嘗試和實踐，他運用完全自主開發(fā)的諧振傳感單元、慣性力耦合—放大器與支撐結構聯(lián)合設計方法，在保持傳感器的微機械結構體積基本不變的情況下，顯著提高了諧振式微機電加速度傳感器的靈敏度，為實現(xiàn)高精度測量提供了保證。
鄒旭東坦言，在研究過程中曾遇到過很多困難。那時候，他常常是邊琢磨，邊實驗，設計方案不行就想方設法改變，憑借著不懈努力向最終的目標挺進。至今他仍記得在2012年冬天面臨的困難——面向應用的科研項目對技術和時間節(jié)點的要求很高，而當時正值圣誕節(jié)前夕，很多人都準備度假，就在這樣一個特殊的時間點上，年終項目要進行中期測試。只有通過測試證明技術的可行性，研究項目才能獲得下一階段的支持。而當時由于合作代工廠的工藝問題，導致收到傳感器核心芯片的時間比計劃晚了近兩個月，可項目的進度必須要保證。面對僅剩不到一個月的時間節(jié)點，鄒旭東和助手從測試樣機的殼體加工，到器件的封裝、測試、組裝，忙到了幾乎沒有休息時間。
關鍵時候，導師前來幫忙。與往日的方向指導不同，導師拿起了電焊、螺絲刀，無論有多瑣碎的事情都一一上手。就這樣，從吃住到工作，導師都和大家在一起，最終在限定時間內完成了測試，研究項目得以按時完成。
這次經歷帶給鄒旭東的不僅是感動，也讓他感到了團隊的力量。到2014年時，他帶領團隊研發(fā)的首批高精度微型井下測震儀和微型相對重力儀樣機，在外場試驗中實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定的高分辨率加速度測量和超過3000米距離的信號傳輸，實測傳感器的各項指標均達到設計要求，加速度分辨率在0.1-100Hz范圍內均好于1×10-6m/s2/Hz1/2，對準靜態(tài)加速度信號的最小加速度分辨超過50ng，其對1Hz以下加速度分辨率和線性動態(tài)范圍兩項指標均超過了Sercel公司和殼牌石油與惠普公司開發(fā)的高精度電容式MEMS加速度傳感器約1個數(shù)量級，從而成功研制出了一種小型化、低功耗并能夠在油氣勘探鉆井環(huán)境下對局域重力場分布實現(xiàn)高精度測量的傳感設備。
而鄒旭東并未滿足于此。他始終堅持，應用才是產品實現(xiàn)價值的最大體現(xiàn)，為實現(xiàn)高精度諧振式微機電加速度傳感器的批量生產，他與微機電系統(tǒng)芯片代工企業(yè)Silex Microsystems公司合作開發(fā)了一套基于8英寸硅片的先進微加工工藝流程及相應的設計規(guī)范。在此過程中使用了包括多層SOI硅片鍵合、大深寬比各向異性刻蝕、全硅通孔連接和全片真空封裝在內的多項先進工藝，還先后攻克了同時精確制備毫米級與微米級微機械結構、消除TSV電學寄生效應與殘余應力和全片多層鍵合真空封裝等關鍵技術。最終采用該工藝流程生產的加速度傳感器芯片成品率超過95%，真空封裝年漏率小于萬分之一，初步達到批量化生產的要求。
鄒旭東的這一研究獲得了英國技術戰(zhàn)略委員會和英國石油公司的長期支持，相關原理和設計方法已獲得國際專利授權，并在歐盟、美國、中國、沙特等國家獲得專利保護。同時，該傳感器的優(yōu)異性能也引起了國際學術界的廣泛關注與高度認可。目前，由英國石油公司和劍橋大學聯(lián)合成立的Silicon Microgravity Ltd.公司正基于該傳感器核心技術開發(fā)多種創(chuàng)新性的產品和技術。投入應用后可降低油氣勘探成本30%以上并能夠將地下水位對生產井造成威脅的預警時間由數(shù)天提前到數(shù)周，將單塊油田的開采率提升1%-1.5%。
鄒旭東介紹，MEMS傳感技術在該領域的成功應用，有望為傳統(tǒng)的油氣行業(yè)井下傳感器技術，帶來新的革命。他在相關技術研發(fā)上取得的成就，也為日后的研究奠定了基礎。
在不懈探索中前行
精準的溫度漂移補償是目前國際上各類諧振式硅基微機電系統(tǒng)傳感器亟待解決的技術難題。鄒旭東利用加速度傳感器的特定結構，在充分研究了可能導致溫度漂移的多種因素的基礎上，充分運用材料學、非線性微機械結構以及校準信號注入與頻率分離等技術手段，創(chuàng)新開發(fā)了一種有效的寬溫區(qū)溫度漂移精確補償?shù)南到y(tǒng)技術方法。實踐證實，使用該技術后，加速度傳感器零輸入下輸出頻率的溫度漂移系數(shù)減小了兩個數(shù)量級，達到0.5ppm/K，并實現(xiàn)了靈敏度的在線校準，從而大大拓展了諧振微機電系統(tǒng)加速度傳感器可以穩(wěn)定工作的環(huán)境溫度范圍，也為其他諧振式微機電傳感器的溫度補償提供了新的思路與方案。
同時，鄒旭東還負責開發(fā)了一款體聲波硅微機電陀螺，能夠滿足在鉆井中準確監(jiān)測和控制微型相對重力儀的布設。這種新型微機電陀螺的結構不同于市面上的常規(guī)產品，器件完全基于全對稱結構的體聲波諧振器，并利用其—對簡并模態(tài)間的科氏力耦合原理設計研發(fā)而成。它通過采取耦合式錨定與旋轉對稱的通孔陣列兩種微機械結構設計，極大地改善了由諧振器錨點和加工誤差引起的模態(tài)頻率失配，從而大幅度提高了角速度分辨率。相比于常規(guī)的微機電陀螺，在實現(xiàn)高精度的同時還具有更好的抗震動、抗沖擊特性。
實測證明了兩個選定簡并模態(tài)在真空下品質因數(shù)均超過10^6，在無外加補償條件下兩者的諧振頻率差異小于3ppm，并可通過偏制電壓調節(jié)實現(xiàn)模態(tài)的完全匹配。由此折算的角速度分辨率超過4×10^(-4)dps/Hz1/2，角度隨機游走小于0.4o/hr1/2，偏置穩(wěn)定性好于5deg/hr。上述指標完全滿足對井下傳感器位置姿態(tài)的測量與控制需求。鄒旭東解釋。除上述優(yōu)勢外，體聲波硅微機電陀螺作為通用陀螺儀還初步達到了美國國防高等計劃研究部2012年提出的實現(xiàn)空-地戰(zhàn)術導彈慣性制導的技術要求，與美國佐治亞理工大學等世界著名實驗室最新發(fā)表的研究成果處于同一水平。
除上述成果外，鄒旭東還開發(fā)了兩種適用于諧振式微機電傳感器的閉環(huán)和開環(huán)檢測電路。一是基于振蕩器原理的ASIC檢測電路，利用亞閾值導通放大、注入電荷偏置等技術使傳感器核心部件的電路功耗大幅度降低到小于15微瓦;另外基于數(shù)字頻率合成技術及相位/幅度綜合測量方法的開環(huán)檢測電路，有效地克服了近載波噪聲調制效應，在相同噪聲條件下使傳感器對超低頻信號的分辨率提高了約一個數(shù)量級，為微型相對重力儀的成功研發(fā)提供了重要技術支持。
除此之外，鄒旭東在微機電系統(tǒng)諧振器與振蕩器領域進行了一些深入且具有原創(chuàng)價值的基礎研究，包括：諧振式微機電系統(tǒng)傳感器噪聲的物理機制與建模，非線性微機電系統(tǒng)振蕩器的頻率穩(wěn)定性及其影響因素，多維弱機械耦合微機電系統(tǒng)諧振器的模態(tài)局域化效應及其應用，耦合微機電系統(tǒng)諧振器受迫振動下的模態(tài)畸變與分叉現(xiàn)象等。這一系列論文均發(fā)表在Journal of Microelectromechanical Systems以及Transducers等領域內頂級期刊和國際學術會議上，為學科發(fā)展作出了重要貢獻。
耿耿赤子報國情
如果說微電子給20世紀帶去了信息革命，那么微機電系統(tǒng)就是將在21世紀發(fā)展成為龐大的高新技術產業(yè)、極大改變人們生產與生活方式的新技術。鄒旭東相信，在新一輪全球化物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)4.0革命浪潮的推動下，各行各業(yè)對于微型傳感器的需求必將與日俱增。
因為深刻認識到微機電系統(tǒng)技術是當前國際上公認的開發(fā)微型傳感器的尖端技術，國家急需掌握核心芯片技術的人才，他毅然放棄了國外的優(yōu)厚條件，選擇了回歸祖國，將所學服務國家。對于這一選擇，他表示：國內現(xiàn)在的研究條件非常好，而且我想做的事與10年前也是沒有變化的。當前我的主要工作將聚焦在成功開發(fā)出在技術上具備國際領先水平并具有較大市場規(guī)模的微機電傳感器產品上，同時加強傳感器從設計到制造工藝上的標準化融合，從而最終建立芯片融合的傳感器整體設計開發(fā)與加工制造的能力。所以總覺得時間不夠用，恨不得一天24小時都投入到工作中去，多做些研究，多跑些地方。簡單的話語，道盡了他無悔的堅持。
鄒旭東介紹，因為高精度慣性傳感器能夠大量應用于精確制導武器、軍事運載平臺導航等領域，所以一直被美國等西方發(fā)達國家列為出口管制與技術封鎖的重點對象。我國即使進口用于民用資源勘探開發(fā)和地質學研究的相關產品，也面臨著外國廠商對出口數(shù)量的嚴格控制以及高昂的采購價格。開發(fā)具有自主知識產權并具備自主生產能力的高精度微機電加速度傳感器對于我國的國防建設與國民經濟發(fā)展具有十分重大的戰(zhàn)略意義。為此，他深感肩上責任重大。
最近這幾年內，他將重點研究高精度加速度傳感器核心架構，以及在此基礎上衍生出的面向多種應用的加速度傳感器產品。他指出，未來傳感器的核心芯片將采用模塊化的設計，結構性模塊的設計將充分利用計算機的3D建模與有限元分析工具，建立各個模塊的設計模型庫以及系統(tǒng)級的計算機模擬仿真流程，并可以根據(jù)不同的加工工藝以及應用需求對模塊設計做出迅速有效的調整。此外功能性模塊的設計則不但需要建立模型庫和仿真流程，還將與傳感器的ASIC電路設計實現(xiàn)融合，使每個功能性模塊具有與之配套的ASIC優(yōu)化設計以形成MEMS-ASIC IP，從而在開發(fā)系列傳感器產品時大大節(jié)省配套電路的開發(fā)與調試時間。
同時，鄒旭東還將利用微機電系統(tǒng)技術開展不依賴于衛(wèi)星的微型定位—導航—計時模塊的開發(fā)研究。他指明，該研究涉及高精度微慣性傳感器、高穩(wěn)定性時間基準、處理電路與算法、精密機械加工、系統(tǒng)集成與兼容性等多個方面，因此在發(fā)揮自身的技術積累和優(yōu)勢的同時，必須要通過開展廣泛而密切的研究合作，才能盡早實現(xiàn)這一關鍵技術成果的突破。若研發(fā)成功，除在國防軍事領域的重要價值外，還可在無人駕駛汽車、小型無人飛行平臺、智能機器人以及手持設備上實現(xiàn)高精度的自主導航，極大地推動上述技術的應用和發(fā)展。因此，為了實現(xiàn)該技術的新突破，未來他還將更加堅定不移地奮斗下去。
做科研不是一人之功，我所有的成就都得力于團隊的培養(yǎng)和協(xié)作，也希望能夠通過我自己的努力，建立一支過硬的科研隊伍，運用微機電系統(tǒng)和傳感器的先進技術面向關鍵領域的重要需求做出更多的應用性成果。鄒旭東說。截至目前，他在MEMS領域期刊及國際會議上共發(fā)表論文近二十篇，申請6項國際專利(1項授權)，并與國外公司合作開發(fā)成功一套專用微加工工藝流程，采用該流程生產的加速度傳感器芯片成品率超過95%，達到批量化生產的要求。在他和團隊的共同努力下，夢想正在逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。
