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中国科学院电子学研究所邹旭东:微机电高精度“传感人”
02-16 17:11:30  来源:科学中国人
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【导读】邹旭东,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。拥有自主、完整的微机电传感器结构芯片设计、工艺制造、电路优化等方面的学术成果、创新产品成果和发明技术专利。

邹旭东,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。长期从事微机电系统(MEMS)技术及高精度惯性传感器的科研和产品开发工作,熟悉、掌握多种微机电传感器的工作原理、设计优化方法、制造工艺流程和传感器的集成与测试等关键技术,拥有自主、完整的微机电传感器结构芯片设计、工艺制造、电路优化等方面的学术成果、创新产品成果和发明技术专利,获得了国际学术同行和国际一流企业合作方的高度认可。

走进英国剑桥

用微机电传感器助力油气勘探生产技术革新

高精度、微型化的惯性传感器,在国防军事、资源勘探与开发、地质学研究等领域的重要应用价值和巨大应用潜力,历来是世界各国研究的重点。1986年出生的邹旭东已经在这个领域耕耘了10余年,取得了多项具有国际先进水平的研究成果,获得了国际学术界和国际著名企业合作伙伴的高度认可。

2006年,一个山东来的年青人接受首批“国家大学生创新性试验计划”资助进入“北京大学微米/纳米加工技术国家重点实验室”。他叫邹旭东,从那时起,他正式成为微机电系统技术领域的一员。经过3年的历练,邹旭东于2009年毕业,并于本科期间在国际会议及SCI核心期刊上发表了5篇论文,且荣获了“十佳毕业论文”。

从北京大学元培计划实验班毕业后,邹旭东前往英国剑桥大学工程系攻读博士学位,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。做面向应用的研究,是邹旭东在读博士时对自己的要求。而能够开展应用研究往往是在一个相对较为成熟的领域之中进行,要取得成果不完全依赖研究的前沿性,更多的还是源于与应用实践的结合。在过去的几年中,邹旭东最大的体会是学术上的创新源于应用,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。在英国期间,他的研究聚焦在如何提升谐振式微机电惯性传感器测量精度这一核心问题上,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。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。研究过程中,困难是很多的,邹旭东边琢磨、边实验,设计方案不行就想办法改变,逐渐向最后的目标靠近。但是,对于面向应用的科研项目,对技术和时间节点的要求是比较高的。在2012年的冬天,考验还是真正地来了。邹旭东记得那个时候,快过圣诞节了,大家都准备休息度假,而且很多人在一年前就预定了休假路线,而困难就出现在了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。虽然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,但是项目的进度必须保证。看着不到1个月的时间节点,邹旭东犯愁了,从测试样机的壳体加工,到器件的封装、测试、组装,他和几名助手就是一天24小时不闭眼也做不完。正在他愁眉不展的时候,导师过来帮忙了。跟往日的方向指导不同,导师拿起了电焊,开始焊板子,操起了螺丝刀拧螺丝、做调试,所有琐碎的事,能上手的导师都做。就是这样,吃在单位、住在单位,导师和大家拧成一股绳,最终在限定的时间内完成了测试,研究项目按时完成。这一切让邹旭东感动不已,也让他第一次真正感到了一个团队的力量。

最终,2014年邹旭东带领团队研发的首批高精度井下微型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。

为实现上述高精度谐振式微机电加速度传感器的批量生产,真正在市场得到广泛应用,邹旭东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。使用了包括多层SOI硅片键合、大深宽比各向异性刻蚀、硅片通孔连接和带有吸气剂的全片真空封装在内的多项先进工艺,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。采用该工艺流程生产的加速度传感器芯片成品率超过95%,初步达到批量化生产的要求。

这项研究得到了英国技术战略委员会和英国石油公司的长期支持,其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%。

当选丘吉尔学院院士

在与各领域专家的思想碰撞中获取研究灵感

在剑桥大学攻读博士和从事研究员工作的6年多时间里,邹旭东先后得到了英国皇家科学院院士、工程院院士、前英国国防部首席科学家、剑桥大学纳米科学中心主任、纳米技术终身教授Mark E.Welland爵士,国际MEMS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,并接受了世界著名大学优秀科研环境的良好熏陶。

让邹旭东最难忘的是作为Fellow(院士)在剑桥大学丘吉尔学院研究和生活的日子。丘吉尔学院是1960年建立的,几十年来,学院的Fellow中集聚了一大批杰出的自然科学与工程领域的科研工作者,其中更是走出了30多位诺贝尔科学奖获得者。2014年,凭借其在高精度微机电惯性传感器方面的研究成果,邹旭东有幸从近百位候选者中脱颖而出,加入到这一群体之中。学院为Fellow们提供了诸多便利,促进相互之间的交流和头脑风暴。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的最新进展,他们会用最出彩的语言讲述最专业的研究;有免费参加的晚宴和酒会让大家在紧张的教学和科研之余,可以在轻松的环境中畅所欲言,碰撞出思想的火花;还有在学院里不期而遇的前辈大师,或同行一段路,或共品一杯茶,与他们的交流可能不涉及具体的学术问题,但是每每在研究的视野与人生的哲理上获益良多。这段经历,不但帮助邹旭东解决了研究上遇到的一些困难,获取了很多新的灵感与思路,更是全方位促进了一名青年研究者的成长。让他印象深刻的还有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,只负责和技术相关的事,其他的事都根据协议完成。在协议框架内,权利人是剑桥大学的产业化机构,发明人是研发人员,大家根据投资金额、应用方向,通过不同的授权方式,体现投资价值和应用价值。收益方面,则有固定的比例分成。一般,收益小的时候,大部分给个人,数额大的时候,则均分,专利授权费会定期到账。这样,研究人员可以把更多的经历放在技术和研发上。有时候,会根据市场需求,做一些技术上的调整,专利授权也会跟着调整。

在这样深厚的学术氛围、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、模态频率失配等领域取得了多项重大应用性科研成果和基础性研究成果。

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,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。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。

为满足在钻井中准确监测和控制微型相对重力仪的布设,邹旭东还开发了一款体声波硅微机电陀螺。不同于市面上常规的基于弹簧-质量块结构的微机电陀螺,该器件是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的。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具有更好的抗震动、抗冲击特性。实测表明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,偏置稳定性好于5deg/hr。上述指标满足对井下传感器位置姿态的测量与控制需求,作为通用陀螺仪也已达到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。

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。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;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。

同时,邹旭东还在微机电系统谐振器与振荡器领域进行了一些较为深入并具有原创性的基础研究,其中包括: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。其成果发表在Journal of Microelectromechanical Systems以及Transducers等领域内顶级期刊和国际学术会议上。

选择回国

致力于高精度传感器的研发生产

在新一轮全球化的物联网及工业4.0革命的浪潮推动下,各行业对于微型传感器的需求与日俱增。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。通过将不同的传感原理与可用的功能材料和先进微加工工艺相结合,可开发出不同类型、不同用途,如压力、位移、惯性等微机电传感器产品。然而,目前市场上绝大部分的传感器,特别是传感器核心芯片以及高性能的传感器产品的研发和生产却几乎被意法半导体、博世、ADI等西方大国公司所垄断。

同时,由于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,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。因此,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。

2016年,邹旭东决心回国,加入中国科学院电子学研究所传感技术联合国家重点实验室工作。回到国内,邹旭东说:“回来机会很好,想做的事应该说跟10年前是没有变化的,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。我现在恨不得一天24小时钻在实验室,多干些活,多跑些地方。”他希望充分利用好国内好的平台环境,多跟行业对接、交流,做的成果能够满足某一方面的需求。最近,他刚刚申报了两个项目,都和传感器的应用相关,“一方面做原理、工艺,一方面面向一个具体的应用场景和需求”。

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,是邹旭东近2?3年内主要研究的项目。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,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。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。

此外,利用微机电系统技术开发不依赖于卫星的微型定位—导航—计时模块是邹旭东另一个计划开展的研究方向。若该模块成功开发,除了在国防军事领域具有重要应用价值之外,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。他提到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。

回国以后,邹旭东另一部分工作是学生的培养和授课。他每周到中国科学院大学面向一年级的研究生讲授3个学时的《微机电系统基础导论》。而对课题组内的研究生培养,邹旭东则有更多自主性的方案,希望根据学生的学术背景、志愿规划、性格特点以及职业发展方向等因材施教。他认为,研究生的教学,要更前沿、更实际,偏向启发性的教育。比如在课程设计方面,基础原理要讲,但是应该以引导为主,让学生根据参考书目自学。上课的内容,主要围绕领域的发展趋势、前沿方向,讲领域宏观的历史发展过程,从哪来到哪去,指导发展的方向。通过对例证、个案的研究、讨论,让大家了解现在最前沿的技术是什么状态,大家都在用哪些研究方法,启发学生研究的方向和领域的未来。

邹旭东说,科学发展从来就是在前人的基础上不断的探索和发现,人才培养、团队建设都是科研非常重要的部分。他由衷地感谢十多年来所在的团队,更希望通过自己的培养,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。


标签:邹旭东,加速度传感器

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