西安交大趙玉龍團隊：在微納傳感世界披荊斬棘

　　【儀表儀表網 儀表人物】十年磨一劍，礪得梅花香。經過十余年的攻堅克難，西安交通大學機械工程學院趙玉龍團隊完成的“高動態MEMS壓阻式特種傳感器及系列產品”項目解決了發動機、導彈、水下兵器、燃爆、戰機、登月等國防、航空航天以及石化領域中的壓力/加速度測量難題，榮獲2017年度國家技術發明二等獎。
 

 

(圖片來自西安交通大學)
 

　　自主創新，打破壁壘
 

　　我國是制造業大國，但非傳感器制造強國，特別是MEMS(微機電系統)壓阻式傳感器多以普通用途的產品為主。而航天航空發動機、飛行器、導彈、水下兵器、石化、燃爆沖擊等場合，主要采用國外產品解決高沖擊、高動態、微小尺度下的壓力/加速度測量難題，且部分產品對我國實施禁運，嚴重制約了我國國防、以及能源、化工等重要領域的科技發展，甚至威脅到國家安全。正是在此背景下，趙玉龍決心創造出屬于中國自己的具有高動態、高沖擊、高過載、微型化的傳感器：“我們必須打破國外的技術封鎖和壟斷，著力研究屬于我國的高性能MEMS傳感器。”
 

　　本科畢業后，趙玉龍在中國船舶工業705所工作了五年，為了更加系統而深入地進行科學研究，實現科技創新，他回到交大，師從蔣莊德院士。自2000年蔣莊德院士團隊獲得國內個MEMS研究科技部立項起，趙玉龍毅然走上了MEMS傳感器領域探索之路。
 

　　趙玉龍專注于MEMS技術、傳感器技術及微納制造領域基礎理論和工程應用方面的研究，并取得了顯著的成績。科研工作中，主持包括國家863計劃重點課題、國家自然基金以及國防科工委國防基礎研究相關研究項目20余項。“耐高溫壓力傳感器設計、制造關鍵技術及系列產品開發”獲得2005年度教育部技術發明一等獎、2006年國家技術發明二等獎，“危化品安全儲運狀態監測MEMS傳感器及系統”獲2012年陜西省科學技術一等獎。研究成果以排名第二分別獲得國家技術發明二等獎、教育部科技進步一等獎、陜西省科技進步一等獎各1項。此外，他還獲得國家授權發明70余項。
 

　　作為團隊的帶頭人，趙玉龍是“長江學者”“杰青”雙料教授，首批中組部“萬人計劃”中青年科技創新人才，“微納傳感與測試技術”長江學者創新團隊負責人，入選了“百千萬人才工程”，獲得了“國家突出貢獻專家”等榮譽稱號，談起自己所獲的成績，他仍然謙遜地說：“我還是在不斷摸索的過程中。”
 

　　攻堅克難，造就系統工程
 

　　選擇出發，就從未停止，趙玉龍在MEMS傳感器及微納制造領域一扎就是十幾年。2005年，他創新性地開展了硅隔離SOI薄膜和多層應力匹配薄膜理論和技術研究，解決了傳感器在高溫條件下的穩定性問題，為高動態MEMS壓阻式傳感器的發明奠定了堅實的基礎。解決了耐高溫的問題，新一輪的挑戰仍需面對。由于MEMS壓阻式傳感器的靈敏度和固有頻率相互制約的內在矛盾，當其在具有高動態性能時，靈敏度就會下降，從而導致其精度和動態響應特性差。如何解決靈敏度和固有頻率的制約矛盾以提高傳感器測量精度，一直是MEMS壓阻式傳感器行業存在的技術難題。“這是一個系統工程，難關需要一個個攻克。”十幾年來趙玉龍一直專注于該領域。
 

　　傳統壓阻式壓力傳感器芯片多采用平膜或島膜作為力學傳遞模型，無法解決靈敏度與固有頻率的相互制約難題，高靈敏度測量時對側向干擾非常敏感。隨著研究的深入，團隊發現其關鍵問題在于傳感器芯片彈性剛度與靈敏度之間的強耦合關系。基于此，提出了微納尺度下彈性復合結構的力學耦合技術，即對傳感器芯片進行局部剛化和局部應力集中，避免傳統方法對傳感器芯片尺寸調整帶來的整體剛度上升、靈敏度下降的問題，從本征結構上解決了傳感器固有頻率與靈敏度的制約難題。由此，團隊發明了基于局部應力集中和局部剛化的梁-膜-島復合壓力傳感器芯片和基于敏感梁與支撐梁分離的多梁加速度傳感器芯片。
 

　　固有頻率與靈敏度相互制約的矛盾難題解決了，但是在特種環境中，針對燃爆和發動機點火產生的強閃光，以及導電介質給傳感器芯片帶來的干擾甚至功能失效難題接踵而至。“遇到問題解決問題，沒有什么克服不了的。”趙玉龍帶領著團隊攻克了一道道難關，提出了金擴散快速復合光生載流子以及濺射鍍膜增強強光反射的技術、內引線與壓敏電阻條并行制造技術、基于平坦化封裝、疊層靜電鍵合及微型化封裝等頻響強化技術以及寬頻信號處理技術，實現了傳感器的強抗干擾性、高動態響應性、高穩定性及可靠性。
 

　　基于以上關鍵技術，趙玉龍團隊發明了高動態MEMS壓阻式壓力/加速度傳感器及系列產品，固有頻率高達1MHz，傳感器外徑小2mm，厚度小1.2mm，解決了高頻響、高過載等動態干擾環境下的壓力/加速度高靈敏無擾測量等難題。
 

　　該項目已發表論文150余篇，SCI收錄48篇、EI收錄68篇；獲得發明53項(含美、日各1項、國防2項，其中2項獲得中國獎)、實用新型17項；獲得計算機軟件著作權10項、集成電路布圖設計權證書4項；起草頒布實施的壓阻式傳感器相關國家及行業標準8項。采用了當代先進的硅-硅直接鍵合技術，提出了無應力微封裝技術、去沖擊光干擾技術，研制出的微型微壓、微型低壓水工產品及微型高頻高壓產品的綜合技術達到了先進水平；壓阻式自由場壓力傳感器新產品打破了美國PCB公司的壟斷與封鎖，可替代進口。相關研究成果獲得陜西省科學技術一等獎1項。開發的系列特種MEMS壓力傳感器、高頻高過載加速度傳感器等產品，在登月工程、衛星發射、兵器燃爆、石油開采運輸等航空航天、軍事研究以及石油化工等國家標志性科學工程及國防項目上實現了產業化和典型應用，打破了國外壟斷，為型號研制及高性能傳感器國產化做出了突出貢獻，取得了顯著的經濟和社會效益。
 

　　教書育人，以人文精神傳道
 

　　“術業有專攻。”趙玉龍不論是對自己還是對學生都有著這樣的要求。他帶領團隊鉆研于MEMS傳感器的攻關，保持年均獲得10項左右的發明授權，“得益于導師蔣莊德院士的培養，我所有的創新都是立足傳感器的設計、制造和加工，我只想讓自己在這個領域做得更好。”
 

　　學生是團隊的參與者與助力者，對于學生的培養，趙玉龍也有著自己獨到的方式。學生入學時，趙玉龍會結合學生們的興趣幫助他們明確研究方向，指導他們做好自己的科研規劃，使他們在碩博研究生期間能夠有明確的目標。他常常教導學生：“凡事預則立，不預則廢。為了目標而努力更容易獲得成功。”
 

　　趙立波教授是該項目的第二獲獎人，他與趙玉龍同為蔣莊德院士的學生，近年來陸續入選教育部“新世紀人才支持計劃”“陜西省青年科技新星”“全國科技工作者”和西安交通大學“青年拔尖人才計劃”A類名單。談到趙玉龍，他說：“趙老師很儒雅，在科研工作中，我們有什么不同的意見都可以暢所欲言，不論是用激烈還是溫和的方式，趙老師都會很認真地傾聽并給出反饋。”科研之外，趙玉龍也十分重視對學生人文素養的培養。“趙老師非常喜歡讀一些人文書籍，他也會用傳統文化中的為人處事之道教導我們。”博士生李村說道。
 

　　趙玉龍對于每一位學生都有著很深的感情，“我有一個寶貝！”他邊說邊來到辦公室的書柜前，從滿是人文書籍的柜子里取出一個精致的布袋子，將里面的東西包裹得嚴嚴實實的。脫去一層層的“外衣”，才發現那是一本紀念冊，皮質的封面上印著交大校徽，里面是硬牛皮紙，每一張都是統一格式，上面有已畢業學生的照片、科研方向、發表過的文章目錄以及學生們對未來的期望。
 

　　“現在有40多名學生，我希望在100名的時候，把學生們都叫回來開一場學術交流會，我想那將是意義非凡的一次會議。”趙玉龍滿懷期待。
 

　　(原文標題：【西遷新傳人】趙玉龍團隊：在微納傳感世界披荊斬棘)