鄒旭東：微機電高精度“傳感人”

汲曉奇

鄒旭東1986年生，中國科學院電子學研究所特聘研究員，“青年個人計劃”入選者。鄒旭東在微機電系統（MEMS）技術領域、特別是在高精度諧振式MEMS～速度（慣性）傳感器的設計、制造與測試方面取得了多項國際重大科研成果。自2006年起獲首批“國家大學生創新性試驗計劃”資助進入“北京大學微米/納米加工技術國家重點實驗室”開始從事微機電系統技術領域學習研究，本科期間取得的科研成果在國際學術會議及sC！核心期刊上共發表第一、二作者論文5篇，畢業論文獲學院“十佳畢業論文”。2009年前往英國劍橋大學工程系攻讀博士學位。在劍橋大學學習、工作期間，以“發明人”身份獲得1項英國專利及1項國際專利授權以及2項專利申請。部分學術性研究成果在領域內頂級期刊Journal ofMicroelectromechanical Systom，Sensors and Actuatots A；Physics及頂級國際會議Transducers，IEEE Ultrasonics，Ferroelectricsand Frequency Control，IEEE International Frequency ControlSymposium等發表論文8篇，全部為第一作者。因其杰出的應用性研究成果，于2014年當選為劍橋大學丘吉爾學院院士（Postdoc By Fellow），為10名入選者中唯一的華人。

鄒旭東，中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室特聘研究員。長期從事微機電系統（MEMS）技術及高精度慣性傳感器的科研和產品開發工作，熟悉、掌握多種微機電傳感器的工作原理、設計優化方法、制造工藝流程和傳感器的集成與測試等關鍵技術，擁有自主、完整的微機電傳感器結構芯片設計、工藝制造、電路優化等方面的學術成果、創新產品成果和發明技術專利，獲得了國際學術同行和國際一流企業合作方的高度認可。

走進英國劍橋

用微機電傳感器助力油氣勘探生產技術革新

高精度、微型化的慣性傳感器，在國防軍事、資源勘探與開發、地質學研究等領域的重要應用價值和巨大應用潛力，歷來是世界各國研究的重點。1986年出生的鄒旭東已經在這個領域耕耘了10余年，取得了多項具有國際先進水平的研究成果，獲得了國際學術界和國際著名企業合作伙伴的高度認可。

2006年，一個山東來的年青人接受首批“國家大學生創新性試驗計劃”資助進入“北京大學微米/納米加工技術國家重點實驗室”。他叫鄒旭東，從那時起，他正式成為微機電系統技術領域的一員。經過3年的歷練，鄒旭東于2009年畢業，并于本科期間在國際會議及SCI核心期刊上發表了5篇論文，且榮獲了“十佳畢業論文”。

從北京大學元培計劃實驗班畢業后，鄒旭東前往英國劍橋大學工程系攻讀博士學位，從事高精度諧振式微機電慣性傳感器的研發以及微機電諧振器的相關基礎研究。做面向應用的研究，是鄒旭東在讀博士時對自己的要求。而能夠開展應用研究往往是在一個相對較為成熟的領域之中進行，要取得成果不完全依賴研究的前沿性，更多的還是源于與應用實踐的結合。在過去的幾年中，鄒旭東最大的體會是學術上的創新源于應用，在實踐中發現問題、研究問題，才能更好地通過研究產生學術成果。在英國期間，他的研究聚焦在如何提升諧振式微機電慣性傳感器測量精度這一核心問題上，設計了一系列高精度微機電加速度傳感器，并以此為核心研發了高精度微型測振儀和微型相對重力儀，用于實現對低頻、準靜態的加速度信號進行精確的立體測量。這項研究主要是為滿足油氣行業對分布式井下局域重力場數據獲取的需要，要求儀器設備能夠在生產井的環境下正常工作，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。

鄒旭東運用完全自主開發的“諧振傳感單元、慣性力耦合一放大器與支撐結構聯合設計”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，為實現高精度測量提供了保證。研究過程中，困難是很多的，鄒旭東邊琢磨、邊實驗，設計方案不行就想辦法改變，逐漸向最后的目標靠近。但是，對于面向應用的科研項目，對技術和時間節點的要求是比較高的。在2012年的冬天，考驗還是真正地來了。鄒旭東記得那個時候，快過圣誕節了，大家都準備休息度假，而且很多人在一年前就預定了休假路線，而困難就出現在了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。雖然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，但是項目的進度必須保證。看著不到1個月的時間節點，鄒旭東犯愁了，從測試樣機的殼體加工，到器件的封裝、測試、組裝，他和幾名助手就是一天24小時不閉眼也做不完。正在他愁眉不展的時候，導師過來幫忙了。跟往日的方向指導不同，導師拿起了電焊，開始焊板子，操起了螺絲刀擰螺絲、做調試，所有瑣碎的事，能上手的導師都做。就是這樣，吃在單位、住在單位，導師和大家擰成一股繩，最終在限定的時間內完成了測試，研究項目按時完成。這一切讓鄒旭東感動不已，也讓他第一次真正感到了一個團隊的力量。

最終，2014年鄒旭東帶領團隊研發的首批高精度井下微型測震儀和微型相對重力儀樣機，在外場試驗中實現了連續穩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1x10^-6m/s²/HZ^1/2，對準靜態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范圍兩項指標均超過了SerceI公司和殼牌石油與惠普公司開發的高精度電容式MEMS加速度傳感器約1個數量級，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境下對局域重力場分布實現高精度測量的傳感設備。

為實現上述高精度諧振式微機電加速度傳感器的批量生產，真正在市場得到廣泛應用，鄒旭東與微機電系統芯片代工企業Silex Microsystems公司合作開發了一套基于8英寸硅片的先進微加工工藝流程及相應的設計規范。使用了包括多層SOI硅片鍵合、大深寬比各向異性刻蝕、硅片通孔連接和帶有吸氣劑的全片真空封裝在內的多項先進工藝，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。采用該工藝流程生產的加速度傳感器芯片成品率超過95%，初步達到批量化生產的要求。

這項研究得到了英國技術戰略委員會和英國石油公司的長期支持，其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合成立的Silicon Microgravity Ltd公司正基于該傳感器核心技術開發多種創新性的產品和技術。投入應用后可降低油氣勘探成本3。%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天提前到數周，將單塊油田的開采率提升1%-1.5%。

當選丘吉爾學院院士

在與各領域專家的思想碰撞中獲取研究靈感

在劍橋大學攻讀博士和從事研究員工作的6年多時間里，鄒旭東先后得到了英國皇家科學院院士、工程院院士、前英國國防部首席科學家、劍橋大學納米科學中心主任、納米技術終身教授Mark e Weloand爵士，國際MEMS領域的著名專家、劍橋大學微系統技術教授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，并接受了世界著名大學優秀科研環境的良好熏陶。

讓鄒旭東最難忘的是作為FelloW（院士）在劍橋大學丘吉爾學院研究和生活的日子。丘吉爾學院是1960年建立的，幾十年來，學院的Fellow中集聚了一大批杰出的自然科學與工程領域的科研工作者，其中更是走出了30多位諾貝爾科學獎獲得者。2014年，憑借其在高精度微機電慣性傳感器方面的研究成果，鄒旭東有幸從近百位候選者中脫穎而出，加入到這一群體之中。學院為Fellow們提供了諸多便利，促進相互之間的交流和頭腦風暴。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的最新進展，他們會用最出彩的語言講述最專業的研究；有免費參加的晚宴和酒會讓大家在緊張的教學和科研之余，可以在輕松的環境中暢所欲言，碰撞出思想的火花；還有在學院里不期而遇的前輩大師，或同行一段路，或共品一杯茶，與他們的交流可能不涉及具體的學術問題，但是每每在研究的視野與人生的哲理上獲益良多。這段經歷，不但幫助鄒旭東解決了研究上遇到的一些困難，獲取了很多新的靈感與思路，更是全方位促進了一名青年研究者的成長。讓他印象深刻的還有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，只負責和技術相關的事，其他的事都根據協議完成。在協議框架內，權利人是劍橋大學的產業化機構，發明人是研發人員，大家根據投資金額、應用方向，通過不同的授權方式，體現投資價值和應用價值。收益方面，則有固定的比例分成。一般，收益小的時候，大部分給個人，數額大的時候，則均分，專利授權費會定期到賬。這樣，研究人員可以把更多的經歷放在技術和研發上。有時候，會根據市場需求，做一些技術上的調整，專利授權也會跟著調整。

在這樣深厚的學術氛圍、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、模態頻率失配等領域取得了多項重大應用性科研成果和基礎性研究成果。

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，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新開發了一種有效的寬溫區溫度漂移精確補償的系統技術方法。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減小了兩個數量級，達到0.5ppm/K，并實現了靈敏度的在線校準，從而大大拓展了諧振微機電系統加速度傳感器可以穩定工作的環境溫度范圍，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。

為滿足在鉆井中準確監測和控制微型相對重力儀的布設，鄒旭東還開發了一款體聲波硅微機電陀螺。不同于市面上常規的基于彈簧一質量塊結構的微機電陀螺，該器件是基于全對稱結構的體聲波諧振器并利用其一對簡并模態間的科氏力耦合原理設計研發的。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頻率失配，從而大幅度提高了角速度分辨率。相比于常規的微機電陀螺，在實現高精度的同時具有更好的抗震動、抗沖擊特性。實測表明兩個選定簡并模態在真空下品質因數均超過106，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實現模態的完全匹配。由此折算的角速度分辨率超過4x10^-4dps/Hz^1/2偏置穩定性好于5deg/hr。上述指標滿足對井下傳感器位置姿態的測量與控制需求，作為通用陀螺儀也已達到美國國防高等計劃研究部2012年提出的實現空一地戰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表的研究成果處于同一水平。

鄒旭東還開發了兩種適用于諧振式微機電傳感器的閉環和開環檢測電路。基于振蕩器原理的ASOC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；基于數字頻率合成技術及相位/幅度綜合測量方法的開環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量級，為微型相對重力儀的成功研發提供了重要技術支持。

同時，鄒旭東還在微機電系統諧振器與振蕩器領域進行了一些較為深入并具有原創性的基礎研究，其中包括：諧振式微機電系統傳感器噪聲的物理機制與建模，非線性微機電系統振蕩器的頻率穩定性及其影響因素，多維弱機械耦合微機電系統諧振器的模態局域化效應及其應用，耦合微機電系統諧振器受迫振動下的模態畸變與分叉現象等。其成果發表在Journalof Microelectromechanical Systems以及Transducers等領域內頂級期刊和國際學術會議上。

選擇回國致力于高精度傳感器的研發生產

在新一輪全球化的物聯網及工業4.0革命的浪潮推動下，各行業對于微型傳感器的需求與曰俱增。微機電系統技術是當前國際上公認的開發微型傳感器的尖端技術。通過將不同的傳感原理與可用的功能材料和先進微加工工藝相結合，可開發出不同類型、不同用途，如壓力、位移、慣性等微機電傳感器產品。然而，目前市場上絕大部分的傳感器，特別是傳感器核心芯片以及高性能的傳感器產品的研發和生產卻幾乎被意法半導體、博世、ADI等西方大國公司所壟斷。

同時，由于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，一直被美國等西方發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和地質學研究的相關產品，也面臨著外國廠商對出口數量的嚴格控制以及高昂的采購價格。因此，開發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展具有十分重大的戰略意義。

2016年，鄒旭東決心回國，加入中國科學院電子學研究所傳感技術聯合國家重點實驗室工作。回到國內，鄒旭東說：“回來機會很好，想做的事應該說跟10年前是沒有變化的，主要工作將聚焦在成功開發出在技術上具備國際領先水平并具有較大市場規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與加工制造的能力。我現在恨不得一天24小時鉆在實驗室，多干些活，多跑些地方。”他希望充分利用好國內好的平臺環境，多跟行業對接、交流，做的成果能夠滿足某一方面的需求。最近，他剛剛申報了兩個項目，都和傳感器的應用相關，“一方面做原理、工藝，一方面面向一個具體的應用場景和需求”。

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，是鄒旭東近2-3年內主要研究的項目。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級的計算機模擬仿真流程，可以根據不同的加了工藝以及應用需求對模塊設計做出迅速有效的調整。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ASOC電路設計實現融合，使每個功能性模塊具有與之配套的ASOC優化設計以形成MEMS-ASIC IP，從而在開發系列傳感器產品時大大節省配套電路的開發與調試時間。

此外，利用微機電系統技術開發不依賴于衛星的微型定位一導航一計時模塊是鄒旭東另一個計劃開展的研究方向。若該模塊成功開發，除了在國防軍事領域具有重要應用價值之外，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高精度的自主導航，極大地推動上述技術的應用和發展。他提到該研究涉及高精度微慣性傳感器、高穩定性時間基準、處理電路與算法、精密機械加工、系統集成與兼容性等多個方面，因此在發揮自身的技術積累和優勢的同時，必須要通過開展廣泛而密切的研究合作，才能盡早實現這一關鍵技術成果的突破。

回國以后，鄒旭東另一部分工作是學生的培養和授課。他每周到中國科學院大學面向一年級的研究生講授3個學時的《微機電系統基礎導論》。而對課題組內的研究生培養，鄒旭東則有更多自主性的方案，希望根據學生的學術背景、志愿規劃、性格特點以及職業發展方向等因材施教。他認為，研究生的教學，要更前沿、更實際，偏向啟發性的教育。比如在課程設計方面，基礎原理要講，但是應該以引導為主，讓學生根據參考書目自學。上課的內容，主要圍繞領域的發展趨勢、前沿方向，講領域宏觀的歷史發展過程，從哪來到哪去，指導發展的方向。通過對例證、個案的研究、討論，讓大家了解現在最前沿的技術是什么狀態，大家都在用哪些研究方法，啟發學生研究的方向和領域的未來。

鄒旭東說，科學發展從來就是在前人的基礎上不斷的探索和發現，人才培養、團隊建設都是科研非常重要的部分。他由衷地感謝十多年來所在的團隊，更希望通過自己的培養，建立一支過硬的科研隊伍，運用微機電系統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。