【给力三大奖】赵玉龙团队:在微纳传感世界中披荆斩棘

十年磨一剑,砺得梅花香。经过十余年的攻坚克难,西安交通大学机械工程学院赵玉龙团队完成的“高动态MEMS压阻式特种传感器及系列产品”项目解决了发动机、导弹、水下兵器、燃爆、战机、登月等国防、航空航天以及石化领域中的压力/加速度测量难题,荣获2017年度国家技术发明二等奖。

自主创新,打破国际壁垒

我国是制造业大国,但非传感器制造强国,特别是MEMS(微机电系统)压阻式传感器多以普通用途的产品为主。而航天航空发动机、飞行器、导弹、水下兵器、石化、燃爆冲击等场合,主要采用国外产品解决高冲击、高动态、微小尺度下的压力/加速度测量难题,且部分产品对我国实施禁运,严重制约了我国国防、军工以及能源、化工等重要领域的科技发展,甚至威胁到国家安全。正是在此背景下,赵玉龙决心创造出属于中国自己的具有高动态、高冲击、高过载、微型化的传感器:“我们必须打破国外的技术封锁和垄断,着力研究属于我国的高性能MEMS传感器。”

本科毕业后,赵玉龙在中国船舶工业705所工作了五年,为了更加系统而深入地进行科学研究,实现科技创新,他回到交大,师从蒋庄德院士。自2000年蒋庄德院士团队获得国内第一个MEMS研究科技部立项起,赵玉龙毅然走上了MEMS传感器领域探索之路。

赵玉龙专注于MEMS技术、传感器技术及微纳制造领域基础理论和工程应用方面的研究,并取得了显著的成绩。科研工作中,主持包括国家863计划重点课题、国家自然基金以及国防科工委国防基础研究相关研究项目20余项。“耐高温压力传感器设计、制造关键技术及系列产品开发”获得2005年度教育部技术发明一等奖、2006年国家技术发明二等奖,“危化品安全储运状态监测MEMS传感器及系统” 获2012年陕西省科学技术一等奖。研究成果以排名第二分别获得国家技术发明二等奖、教育部科技进步一等奖、陕西省科技进步一等奖和西安市科技进步一等奖各1项。此外,他还获得国家授权发明专利70余项。

作为团队的带头人,赵玉龙是“长江学者”、“杰青”双料教授,首批中组部“万人计划”中青年科技创新领军人才,“微纳传感与测试技术”长江学者创新团队负责人,入选了“百千万人才工程”,获得了“国家突出贡献专家”等荣誉称号,谈起自己所获的成绩,他仍然谦逊地说:“我还是在不断摸索的过程中。”

攻坚克难,造就系统工程

选择出发,就从未停止,赵玉龙在MEMS传感器及微纳制造领域一扎就是十几年。2005年,他创新性地开展了硅隔离SOI薄膜和多层应力匹配薄膜理论和技术研究,解决了传感器在高温条件下的稳定性问题,为高动态MEMS压阻式传感器的发明奠定了坚实的基础。解决了耐高温的问题,新一轮的挑战仍需面对。由于MEMS压阻式传感器的灵敏度和固有频率相互制约的内在矛盾,当其在具有高动态性能时,灵敏度就会下降,从而导致其精度和动态响应特性差。如何解决灵敏度和固有频率的制约矛盾以提高传感器测量精度,一直是MEMS压阻式传感器行业存在的技术难题。“这是一个系统工程,难关需要一个个攻克。”十几年来赵玉龙一直专注于该领域。

传统压阻式压力传感器芯片多采用平膜或岛膜作为力学传递模型,无法解决灵敏度与固有频率的相互制约难题,高灵敏度测量时对侧向干扰非常敏感。随着研究的深入,团队发现其关键问题在于传感器芯片弹性刚度与灵敏度之间的强耦合关系。基于此,提出了微纳尺度下弹性复合结构的力学耦合技术,即对传感器芯片进行局部刚化和局部应力集中,避免传统方法对传感器芯片尺寸调整带来的整体刚度上升、灵敏度下降的问题,从本征结构上解决了传感器固有频率与灵敏度的制约难题。由此,团队发明了基于局部应力集中和局部刚化的梁-膜-岛复合压力传感器芯片和基于敏感梁与支撑梁分离的多梁加速度传感器芯片。

固有频率与灵敏度相互制约的矛盾难题解决了,但是在特种环境中,针对燃爆和发动机点火产生的强闪光,以及导电介质给传感器芯片带来的干扰甚至功能失效难题接踵而至。“遇到问题解决问题,没有什么克服不了的。”赵玉龙带领着团队攻克了一道道难关,提出了金扩散快速复合光生载流子以及溅射镀膜增强强光反射的技术、内引线与压敏电阻条并行制造技术、基于平坦化封装、叠层静电键合及微型化封装等频响强化技术以及宽频信号处理技术,实现了传感器的强抗干扰性、高动态响应性、高稳定性及可靠性。

基于以上关键技术,赵玉龙团队发明了高动态MEMS压阻式压力/加速度传感器及系列产品,固有频率高达1MHz,传感器外径最小2mm,厚度最小1.2mm,解决了高频响、高过载等动态干扰环境下的压力/加速度高灵敏无扰测量等难题。

该项目已发表论文150余篇,SCI收录48篇、EI收录68篇;获得发明专利53项(含美、日各1项、国防2项,其中2项获得中国专利优秀奖)、实用新型专利17项;获得计算机软件著作权10项、集成电路布图设计权证书4项;起草颁布实施的压阻式传感器相关国家及行业标准8项。采用了当代最先进的硅-硅直接键合技术,提出了无应力微封装技术、去冲击光干扰技术,研制出的微型微压、微型低压水工产品及微型高频高压产品的综合技术达到了国际先进水平;压阻式自由场压力传感器新产品打破了美国PCB公司的垄断与封锁,可替代进口。相关研究成果获得陕西省科学技术一等奖1项。开发的系列特种MEMS压力传感器、高频高过载加速度传感器等产品,在登月工程、卫星发射、兵器燃爆、石油开采运输等航空航天、军事研究以及石油化工等国家标志性科学工程及国防项目上实现了产业化和典型应用,打破了国外垄断,为型号研制及高性能传感器国产化做出了突出贡献,取得了显著的经济和社会效益。

教书育人,以人文精神传道

“术业有专攻。”赵玉龙不论是对自己还是对学生都有着这样的要求。他带领团队钻研于MEMS传感器的攻关,保持年均获得10项左右的发明专利授权,“我所有的创新都是立足传感器的设计、制造和加工,我只想让自己在这个领域做得更好。”

学生是团队的参与者与助力者,对于学生的培养,赵玉龙也有着自己独到的方式。学生入学时,赵玉龙会结合学生们的兴趣帮助他们明确研究方向,指导他们做好自己的科研规划,使他们在硕博研究生期间能够有明确的目标。他常常教导学生:“凡事预则立,不预则废。为了目标而努力更容易获得成功。”

科研过程中,他注重让学生将“产、学、研”相结合,重视实践的价值。“赵老师非常注重培养我们的实践与科研能力,也十分注重将科研与我们的兴趣相结合,让我们快乐学习,快乐成长。”赵立波是该项目的第二获奖人,说起自己的导师时总是露出自豪的微笑。师从赵玉龙的他在团队中成长很快,近年来陆续入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”“陕西省青年科技新星”“全国优秀科技工作者”和西安交通大学“青年拔尖人才计划”A类名单。除了科研,赵玉龙也十分重视对学生人文素养的培养。“赵老师非常喜欢读一些人文书籍,他也会用传统文化中的为人处事之道教导我们。”博士生李村说道。

赵玉龙对于每一位学生都有着很深的感情,“我有一个宝贝!”他边说边来到办公室的书柜前,从满是人文书籍的柜子里取出一个精致的布袋子,将里面的东西包裹得严严实实的。脱去一层层的“外衣”,才发现那是一本纪念册,皮质的封面上印着交大校徽,里面是硬牛皮纸,每一张都是统一格式,上面有已毕业学生的照片、科研方向、发表过的文章目录以及学生们对未来的期望。

“现在有40多名学生,我希望在100名的时候,把学生们都叫回来开一场学术交流会,我想那将是意义非凡的一次会议。”赵玉龙欣喜地说。