走在傳感技術研究前沿的“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，設計方案不行就想方設法改變，憑借著不懈努力向最終的目標挺進。至今他仍記得在2012年冬天面臨的困難——面向應用的科研項目對技術和時間節點的要求很高，而當時正值圣誕節前夕，很多人都準備度假，就在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。而當時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，可項目的進度必須要保證。面對僅剩不到一個月的時間節點，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。

　　關鍵時候，導師前來幫忙。與往日的方向指導不同，導師拿起了電焊、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，導師都和大家在一起，最終在限定時間內完成了測試，研究項目得以按時完成。

　　這次經歷帶給鄒旭東的不僅是感動，也讓他感到了團隊的力量。到2014年時，他帶領團隊研發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1×10-6m/s2/Hz1/2，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Sercel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。

　　而鄒旭東并未滿足于此。他始終堅持，應用才是產品實現價值的最大體現，為實現高精度諧振式微機電加速度傳感器的批量生產，他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。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的多項先進工藝，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。最終采用該工藝流程生產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，初步達到批量化生產的要求。

　　鄒旭東的這一研究獲得了英國技術戰略委員會和英國石油公司的長期支持，相關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30%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%。

　　鄒旭東介紹，MEMS傳感技術在該領域的成功應用，有望為傳統的油氣行業井下傳感器技術，帶來新的革命。他在相關技術研發上取得的成就，也為日后的研究奠定了基礎。

　　在不懈探索中前行

　　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，充分運用材料學、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。實踐證實，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。

　　同時，鄒旭東還負責開發了一款體聲波硅微機電陀螺，能夠滿足在鉆井中準確監測和控制微型相對重力儀的布設。這種新型微機電陀螺的結構不同于市面上的常規產品，器件完全基于全對稱結構的體聲波諧振器，并利用其—對簡并模態間的科氏力耦合原理設計研發而成。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4×10-4dps/Hz1/2，角度隨機游走小于0.4o/hr1/2，偏置穩定性好于5deg/hr。上述指標完全滿足對井下傳感器位置姿態的測量與控制需求。”鄒旭東解釋。除上述優勢外，體聲波硅微機電陀螺作為通用陀螺儀還初步達到了美國國防高等計劃研究部2012年提出的實現空-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。