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走在传感技术研究前沿的“弄潮儿”

华静一
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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。

走在传感技术研究前沿

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。

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