走在傳感技術(shù)研究前沿的“弄潮兒”

　　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(shè)計方案不行就想方設(shè)法改變，憑借著不懈努力向最終的目標(biāo)挺進(jìn)。至今他仍記得在2012年冬天面臨的困難——面向應(yīng)用的科研項目對技術(shù)和時間節(jié)點的要求很高，而當(dāng)時正值圣誕節(jié)前夕，很多人都準(zhǔn)備度假，就在這樣一個特殊的時間點上，年終項目要進(jìn)行中期測試。只有通過測試證明技術(shù)的可行性，研究項目才能獲得下一階段的支持。而當(dāng)時由于合作代工廠的工藝問題，導(dǎo)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(jìn)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(guān)鍵時候，導(dǎo)師前來幫忙。與往日的方向指導(dǎo)不同，導(dǎo)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(dǎo)師都和大家在一起，最終在限定時間內(nèi)完成了測試，研究項目得以按時完成。

　　這次經(jīng)歷帶給鄒旭東的不僅是感動，也讓他感到了團(tuán)隊的力量。到2014年時，他帶領(lǐng)團(tuán)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(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，加速度分辨率在0.1-100Hz范圍內(nèi)均好于1×10-6m/s2/Hz1/2，對準(zhǔn)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(biāo)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(shè)備。

　　而鄒旭東并未滿足于此。他始終堅持，應(yīng)用才是產(chǎn)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(chǎn)，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(jìn)微加工工藝流程及相應(yīng)的設(shè)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(nèi)的多項先進(jìn)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(jié)構(gòu)、消除TSV電學(xué)寄生效應(yīng)與殘余應(yīng)力和全片多層鍵合真空封裝等關(guān)鍵技術(shù)。最終采用該工藝流程生產(chǎn)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(dá)到批量化生產(chǎn)的要求。

　　鄒旭東的這一研究獲得了英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會和英國石油公司的長期支持，相關(guān)原理和設(shè)計方法已獲得國際專利授權(quán)，并在歐盟、美國、中國、沙特等國家獲得專利保護(hù)。同時，該傳感器的優(yōu)異性能也引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注與高度認(rèn)可。目前，由英國石油公司和劍橋大學(xué)聯(lián)合成立的Silicon Microgravity Ltd.公司正基于該傳感器核心技術(shù)開發(fā)多種創(chuàng)新性的產(chǎn)品和技術(shù)。投入應(yīng)用后可降低油氣勘探成本30%以上并能夠?qū)⒌叵滤粚ιa(chǎn)井造成威脅的預(yù)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(shù)在該領(lǐng)域的成功應(yīng)用，有望為傳統(tǒng)的油氣行業(yè)井下傳感器技術(shù)，帶來新的革命。他在相關(guān)技術(shù)研發(fā)上取得的成就，也為日后的研究奠定了基礎(chǔ)。

　　在不懈探索中前行

　　精準(zhǔn)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(shù)難題。鄒旭東利用加速度傳感器的特定結(jié)構(gòu)，在充分研究了可能導(dǎo)致溫度漂移的多種因素的基礎(chǔ)上，充分運用材料學(xué)、非線性微機械結(jié)構(gòu)以及校準(zhǔn)信號注入與頻率分離等技術(shù)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(shù)方法。實踐證實，使用該技術(shù)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(dá)到0.5ppm/K，并實現(xiàn)了靈敏度的在線校準(zhǔn)，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(fù)責(zé)開發(fā)了一款體聲波硅微機電陀螺，能夠滿足在鉆井中準(zhǔn)確監(jiān)測和控制微型相對重力儀的布設(shè)。這種新型微機電陀螺的結(jié)構(gòu)不同于市面上的常規(guī)產(chǎn)品，器件完全基于全對稱結(jié)構(gòu)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(shè)計研發(fā)而成。它通過采取耦合式錨定與旋轉(zhuǎn)對稱的通孔陣列兩種微機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)因數(shù)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(diào)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4×10-4dps/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(biāo)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(dá)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(shù)導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)的技術(shù)要求，與美國佐治亞理工大學(xué)等世界著名實驗室最新發(fā)表的研究成果處于同一水平。