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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”
2018-06-10 04:40:32  泉源:科学中国人
批评数:66次 阅读量:8243次
【导读】邹旭东,中国科学院电子学研究所传感手艺结合国家重点实验室特聘研究员。具有自立、完好的微机电传感器构造芯片设想、工艺制造、电路优化等方面的学术结果、立异产物结果和发现手艺专利。

邹旭东,中国科学院电子学研究所传感手艺结合国家重点实验室特聘研究员。临时处置微机电体系(MEMS)手艺及高精度惯性传感器的科研和产物开辟事情,熟习、把握多种微机电传感器的事情道理、设想优化要领、制造工艺流程和传感器的集成取测试等关键技术,具有自立、完好的微机电传感器构造芯片设想、工艺制造、电路优化等方面的学术结果、立异产物结果和发现手艺专利,得到了国际学术偕行和国际一流企业协作方的高度承认。

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走进英国剑桥

用微机电传感器助力油气勘察消费技术革新

高精度、微型化的惯性传感器,正在国防军事、资本勘察取开辟、地质学研讨等范畴的主要运用代价和伟大运用潜力,向来是世界各国研讨的重点。1986年诞生的邹旭东曾经正在这个范畴耕作了10余年,与得了多项具有国际先进水平的研究成果,得到了国际学术界和国际著名企业合作伙伴的高度承认。

2006年,一个山东去的年青人接管首批“国度大学生立异性实验企图”赞助进入“北京大学微米/纳米加工手艺国家重点实验室”。他叫邹旭东,从那时起,他正式成为微机电体系手艺范畴的一员。经由3年的历练,邹旭东于2009年卒业,并于本科时期正在国际会议及SCI核心期刊上宣布了5篇论文,且荣获了“十佳毕业论文”。

从北京大学元培企图实行班卒业后,邹旭东前去英国剑桥大学工程系攻读博士学位,处置高精度谐振式微电机惯性传感器的研发和微机电谐振器的相干根蒂根基研讨。做面向运用的研讨,是邹旭东在读博士时对本身的要求。而可以或许展开运用研讨每每是正在一个相对较为成熟的范畴当中停止,要获得结果不完全依靠研讨的前沿性,更多的照样源于取运用理论的联合。正在已往的几年中,邹旭东最大的体味是学术上的立异源于运用,在实践中发明题目、研讨题目,才气更好天经由过程研讨发生学术结果。正在英国时期,他的研讨聚焦正在怎样提拔谐振式微电机惯性传感器丈量精度那一中心题目上,设想了一系列高精度微机电加速度传感器,并以此为中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、准静态的加速度旌旗灯号停止准确的立体丈量。这项研讨重要是为知足油气行业对分布式井下局域重力场数据获得的需求,要求仪器设备可以或许正在生产井的情况下一般事情,因而对仪器的体积巨细,抗震才能,耐高压高温才能等多个方面具有严厉的要求。

邹旭东应用完整自立开辟的“谐振传感单位、惯性力耦合—放大器取支持构造结合设想”要领,正在连结传感器的微机械构造体积根基稳定的状况下,明显进步了谐振式微电机加速度传感器的灵敏度,为实现高精度丈量供应了包管。研讨历程中,难题是许多的,邹旭东边揣摩、边实行,设计方案不可便想办法改动,逐步背最初的目的接近。然则,关于面向运用的科研项目,对手艺和工夫节点的要求是对照下的。正在2012年的冬季,磨练照样真正天去了。邹旭东记得谁人时刻,快过圣诞节了,人人皆预备歇息度假,并且许多人正在一年前便预定了休假道路,而难题便泛起正在了如许一个特别的工夫点上。年末项目要停止中期测试,只要经由过程测试证实手艺的可行性,研讨项目才气得到下一阶段的支撑。固然因为协作代工场的工艺题目,致使收到传感器中心芯片的工夫比企图早了远两个月,然则项目的进度必需包管。看着不到1个月的工夫节点,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。正在他颦眉促额的时刻,导师过来帮助了。跟昔日的偏向指点差别,导师拿起了电焊,最先焊板子,操起了螺丝刀拧螺丝、做调试,一切噜苏的事,能上手的导师皆做。就是如许,吃正在单元、住在单元,导师和人人拧成一股绳,终究正在限制的时间内完成了测试,研讨项目定时完成。那统统让邹旭东打动不已,也让他第一次真正感应了一个团队的气力。

终究,邹旭东率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,正在外场实验中实现了一连稳固的高分辨率加速度丈量和凌驾3000米间隔的旌旗灯号传输,实测传感器的各项目标均到达设想要求,加速度分辨率正在0.1~100Hz范围内均好于1×10-6m/s2/Hz1/2,瞄准静态加速度旌旗灯号的最小加速度区分凌驾50ng,其对1Hz以下加速度分辨率和线性静态局限两项目标均凌驾了Sercel公司和壳牌石油取惠普公司开辟的高精度电容式MEMS加速度传感器约1个数量级,从而胜利研制出了一种小型化、低功耗并可以或许正在油气勘察钻井情况下对局域重力场散布实现高精度丈量的传感装备。

为实现上述高精度谐振式微电机加速度传感器的批量消费,实正在市场获得普遍运用,邹旭东取微机电体系芯片代工企业Silex Microsystems公司协作开辟了一套基于8英寸硅片的先辈微加工工艺流程及响应的设计规范。运用了包孕多层SOI硅片键合、大深宽比各向异性刻蚀、硅片通孔衔接和带有吸气剂的全片真空封装在内的多项先辈工艺,前后霸占了同时准确制备毫米级取微米级微机械构造、消弭TSV电学寄生效应取剩余应力和全片多层键合真空封装等关键技术。接纳该工艺流程消费的加速度传感器芯片成品率凌驾95%,开端到达批量化生产的要求。

这项研讨得到了英国手艺计谋委员会和英国石油公司的临时支撑,其道理和设想要领已得到国际专利受权,并正在欧盟、美国、中国、沙特等国度得到专利珍爱。同时,该传感器的优秀机能也引发了国际学术界的普遍存眷取高度承认。现在,由英国石油公司和剑桥大学结合建立的Silicon Microgravity Ltd.公司正基于该传感器中心技术开发多种立异性的产物和手艺。投入运用后可低落油气勘察本钱30%以上并可以或许将地下水位对生产井形成要挟的预警工夫由数天提早到数周,将单块油田的开采率提拔1%~1.5%。

中选丘吉尔学院院士

正在取各范畴专家的头脑碰撞中获得研讨灵感

正在剑桥大学攻读博士和处置研究员事情的6年多时间里,邹旭东前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、纳米技术毕生传授Mark E.Welland爵士,国际MEMS范畴的有名专家、剑桥大学微体系手艺传授Ashwin A. Seshia和电力电子传感器范畴的国际有名专家、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毕生传授Florin Udrea等卓异导师的亲身指点,并接管了天下有名大学优异科研情况的优越陶冶。

让邹旭东最难忘的是作为Fellow(院士)正在剑桥大学丘吉尔学院研讨和生涯的日子。丘吉尔学院是1960年竖立的,几十年来,学院的Fellow中集聚了一大批卓异的自然科学取工程范畴的科研工作者,个中更是走出了30多位诺贝尔科学奖获得者。2014年,依附其正在高精度微机电惯性传感器方面的研究成果,邹旭东有幸从远百位候选者中脱颖而出,到场到这一群体当中。学院为Fellow们供应了诸多便当,增进相互之间的交换和思想风暴。这里,有活期举行的学术沙龙,能够听到差别范畴的专家报告各自范畴的最新进展,他们会用最出彩的言语报告最专业的研讨;有免费列入的晚宴和酒会让人人正在重要的讲授和科研之余,能够正在轻松的情况中各抒己见,碰撞出头脑的火花;另有正在学院里萍水相逢的先辈巨匠,或偕行一段路,或共品一杯茶,取他们的交换能够不触及详细的学术题目,然则往往正在研讨的视野取人生的哲理上获益很多。那段阅历,不只资助邹旭东处理了研讨上碰到的一些难题,获得了许多新的灵感取思绪,更是全方位增进了一名青年研究者的生长。让他印象深入的另有剑桥大学的知识产权系统,轨制相对完美,需求申请专利时,只要把申请文本和立异点写好,就会有专门的机构卖力资助申请。作为研究人员,只卖力和手艺相干的事,其他的事皆凭据和谈完成。正在和谈框架内,权益人是剑桥大学的产业化机构,发明人是研发职员,人人凭据投资金额、运用偏向,经由过程差别的受权体式格局,表现投资代价和运用代价。收益方面,则有流动的比例分红。一样平常,收益小的时刻,大部分给小我私家,数额大的时刻,则均分,专利受权费会活期到账。如许,研究人员能够把更多的阅历放正在手艺和研发上。有时候,会凭据市场需求,做一些技术上的调解,专利受权也会随着调解。

正在如许深沉的学术气氛、高效的科研机制下,邹旭东不只正在高精度微机电体系加速度传感器的设想、制造、测试等方面与得了严重希望,并且正在传感器的电路设计、温度赔偿、模态频次失配等范畴与得了多项严重应用性科研成果和基础性研究成果。

精准的温度漂移赔偿是现在国际上各种谐振式硅基微机电体系传感器亟待处理的手艺困难。邹旭东应用加速度传感器的特定构造,正在充裕研讨了能够致使温度漂移的多种身分的基础上,应用质料学、非线性微机械构造和校准旌旗灯号注入取频次星散等手艺手腕立异开辟了一种有用的宽温区温度漂移准确赔偿的体系手艺要领。运用该手艺后,加速度传感器整输入下输出频次的温度漂移系数减小了两个数量级,到达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体系加速度传感器能够稳固事情的环境温度局限,也为其他谐振式微电机传感器的温度赔偿供应了新的思绪取计划。

为知足正在钻井中正确监测和掌握微型相对重力仪的布设,邹旭东借开辟了一款体声波硅微机电陀螺。不同于市情上通例的基于弹簧-质量块构造的微机电陀螺,该器件是基于齐对称构造的体声波谐振器并应用其—对简并模态间的科氏力耦合道理设想研发的。它经由过程接纳耦合式锚定取扭转对称的通孔阵列两种微机械结构设计,极大天改进了由谐振器锚点和加工偏差引发的模态频次失配,从而大幅度进步了角速度分辨率。比拟于通例的微机电陀螺,正在实现高精度的同时具有更好的抗震动、抗打击特性。实测注解两个选定简并模态正在真空下品质因数均凌驾106,正在无外加赔偿条件下二者的谐振频次差别小于3ppm并可经由过程偏偏造电压调治实现模态的完整婚配。由此折算的角速度分辨率凌驾4×10-4dps/Hz1/2,偏置稳定性好于5deg/hr。上述目标知足对井下传感器位置姿势的丈量取掌握需求,作为通用陀螺仪也已到达美国国防高档企图研讨部2012年提出的实现空-天战术导弹惯性制导的手艺要求,取美国佐治亚理工大学等天下有名实验室最新宣布的研究成果处于统一程度。

邹旭东借开辟了两种适用于谐振式微电机传感器的闭环和开环检测电路。基于振荡器道理的ASIC检测电路,应用亚阈值导通放大、注入电荷偏置等手艺使传感器中心部件的电路功耗大幅度低落到小于15微瓦;基于数字频次分解手艺及相位/幅度综合测量方法的开环检测电路有效地战胜了远载波噪声调制效应,正在雷同噪声条件下使传感器对超低频旌旗灯号的分辨率进步了约一个数量级,为微型相对重力仪的胜利研发供应了主要技术支持。

同时,邹旭东借正在微机电体系谐振器取振荡器范畴停止了一些较为深切并具有原创性的根蒂根基研讨,个中包孕:谐振式微电机体系传感器噪声的物理机制取建模,非线性微机电体系振荡器的频次稳定性及其影响身分,多维强机器耦合微机电体系谐振器的模态局域化效应及其运用,耦合微机电体系谐振器受迫振动下的模态畸变取分叉征象等。其结果宣布正在Journal of Microelectromechanical Systems和Transducers等发域内顶级期刊和国际学术会议上。

挑选返国

致力于高精度传感器的研发消费

正在新一轮全球化的物联网及产业4.0反动的海潮鞭策下,各行业关于微型传感器的需求一日千里。微机电体系手艺是当前国际上公认的开辟微型传感器的尖端手艺。经由过程将差别的传感道理取可用的功用质料和先辈微加工工艺相结合,可开辟出不同类型、差别用处,如压力、位移、惯性等微机电传感器产物。但是,目前市场上绝大部分的传感器,特别是传感器中心芯片和下机能的传感器产物的研发和消费却险些被意法半导体、博世、ADI等西方大国公司所把持。

同时,因为高精度惯性传感器可以或许大量应用于准确制导兵器、军事运载平台导航等范畴,一向被美国等西方发达国家列为出口控制取手艺封闭的重点工具。我国纵然入口用于民用资本勘察开辟和地质学研讨的相干产物,也面对着本国厂商对出口数目的严格控制和奋发的采购价钱。因而,开辟具有自主知识产权并具有自立生产能力的高精度微机电加速度传感器关于我国的国防建设取百姓经济发展具有非常严重的战略意义。

2016年,邹旭东刻意返国,到场中国科学院电子学研究所传感手艺结合国家重点实验室事情。回到海内,邹旭东道:“返来时机很好,念做的事应该说跟10年前是没有转变的,重要事情将聚焦正在胜利开辟出在技术上具有国际抢先程度并具有较大市场规模的微机电传感器产物上,同时增强传感器从设想到制造工艺上的标准化融会,从而终究竖立芯片融会的传感器整体设想开辟取加工制造的才能。我如今巴不得一天24小时钻正在实验室,多干些活,多跑些中央。”他期望充分利用好海内好的平台情况,多跟行业对接、交换,做的结果可以或许知足某一方面的需求。近来,他方才申报了两个项目,皆和传感器的运用相干,“一方面做道理、工艺,一方面面向一个详细的运用场景和需求”。

高精度加速度传感器中心架构,和在此基础上衍生出的面向多种运用的加速度传感器产物,是邹旭东远23年内重要研讨的项目。传感器的中心芯片将接纳模块化的设想,结构性模块的设想将充分利用计算机的3D建模取有限元分析东西,竖立各个模块的设想模型库和体系级的计算机模仿仿真流程,能够凭据差别的加工工艺和运用需求对模块设想做出敏捷有用的调解。功用性模块的设想则不只需求竖立模型库和仿真流程,借将取传感器的ASIC电路设计实现融会,使每一个功用性模块具有与之配套的ASIC优化设想以构成MEMS-ASIC IP,从而正在开辟系列传感器产物时大大节约配套电路的开辟取调试工夫。

另外,应用微机电体系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企图展开的研讨偏向。若该模块胜利开辟,除正在国防军事范畴具有主要运用代价以外,借可正在无人驾驶汽车、小型无人航行平台、智能机器人和手持装备上实现高精度的自立导航,极大天鞭策上述手艺的运用和生长。他提到该研讨触及高精度微惯性传感器、下稳定性工夫基准、处置惩罚电路取算法、周详机器加工、系统集成取兼容性等多个方面,因而正在施展本身的手艺积聚和上风的同时,必需要经由过程展开普遍而亲切的研讨协作,才气尽早实现那一要害技术成果的打破。

返国今后,邹旭东另外一局部事情是学生的造就和讲课。他每周密中国科学院大学面向一年级的研究生解说3个学时的《微机电体系根蒂根基导论》。而对课题组内的研究生造就,邹旭东则有更多自立性的计划,期望凭据学生的学术配景、自愿计划、性格特点和职业发展方向等因材施教。他以为,研究生的讲授,要更前沿、更现实,倾向启发性的教诲。好比正在课程设计方面,根蒂根基道理要讲,然则应当以指导为主,让学生凭据参考书目自学。上课的内容,重要盘绕范畴的发展趋势、前沿偏向,讲范畴宏观的汗青发展过程,从哪来到哪去,指点生长的偏向。经由过程对例证、个案的研讨、议论,让人人相识如今最前沿的手艺是什么状况,人人皆正在用哪些研讨要领,启示学生研讨的方向和范畴的将来。

邹旭东道,科学生长历来就是正在前人的基础上络续的探究和发明,人才培养、团队建立都是科研非常重要的局部。他由衷天谢谢十多年来地点的团队,更期望经由过程本身的造就,竖立一收过硬的科研部队,应用微机电体系和传感器的先进技术面向要害范畴的主要需求做出更多的应用性结果。


标签:邹旭东,加速度传感器
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