走在传感技术研究前沿的“弄潮儿”

　　邹旭东坦言，在研究过程中曾遇到过很多困难。那时候，他常常是边琢磨，边实验，设计方案不行就想方设法改变，凭借着不懈努力向最终的目标挺进。至今他仍记得在2012年冬天面临的困难——面向应用的科研项目对技术和时间节点的要求很高，而当时正值圣诞节前夕，很多人都准备度假，就在这样一个特殊的时间点上，年终项目要进行中期测试。只有通过测试证明技术的可行性，研究项目才能获得下一阶段的支持。而当时由于合作代工厂的工艺问题，导致收到传感器核心芯片的时间比计划晚了近两个月，可项目的进度必须要保证。面对仅剩不到一个月的时间节点，邹旭东和助手从测试样机的壳体加工，到器件的封装、测试、组装，忙到了几乎没有休息时间。

　　关键时候，导师前来帮忙。与往日的方向指导不同，导师拿起了电焊、螺丝刀，无论有多琐碎的事情都一一上手。就这样，从吃住到工作，导师都和大家在一起，最终在限定时间内完成了测试，研究项目得以按时完成。

　　这次经历带给邹旭东的不仅是感动，也让他感到了团队的力量。到2014年时，他带领团队研发的首批高精度微型井下测震仪和微型相对重力仪样机，在外场试验中实现了连续稳定的高分辨率加速度测量和超过3000米距离的信号传输，实测传感器的各项指标均达到设计要求，加速度分辨率在0.1-100Hz范围内均好于1×10-6m/s2/Hz1/2，对准静态加速度信号的最小加速度分辨超过50ng，其对1Hz以下加速度分辨率和线性动态范围两项指标均超过了Sercel公司和壳牌石油与惠普公司开发的高精度电容式MEMS加速度传感器约1个数量级，从而成功研制出了一种小型化、低功耗并能够在油气勘探钻井环境下对局域重力场分布实现高精度测量的传感设备。

　　而邹旭东并未满足于此。他始终坚持，应用才是产品实现价值的最大体现，为实现高精度谐振式微机电加速度传感器的批量生产，他与微机电系统芯片代工企业Silex Microsystems公司合作开发了一套基于8英寸硅片的先进微加工工艺流程及相应的设计规范。在此过程中使用了包括多层SOI硅片键合、大深宽比各向异性刻蚀、全硅通孔连接和全片真空封装在内的多项先进工艺，还先后攻克了同时精确制备毫米级与微米级微机械结构、消除TSV电学寄生效应与残余应力和全片多层键合真空封装等关键技术。最终采用该工艺流程生产的加速度传感器芯片成品率超过95%，真空封装年漏率小于万分之一，初步达到批量化生产的要求。

　　邹旭东的这一研究获得了英国技术战略委员会和英国石油公司的长期支持，相关原理和设计方法已获得国际专利授权，并在欧盟、美国、中国、沙特等国家获得专利保护。同时，该传感器的优异性能也引起了国际学术界的广泛关注与高度认可。目前，由英国石油公司和剑桥大学联合成立的Silicon Microgravity Ltd.公司正基于该传感器核心技术开发多种创新性的产品和技术。投入应用后可降低油气勘探成本30%以上并能够将地下水位对生产井造成威胁的预警时间由数天提前到数周，将单块油田的开采率提升1%-1.5%。

　　邹旭东介绍，MEMS传感技术在该领域的成功应用，有望为传统的油气行业井下传感器技术，带来新的革命。他在相关技术研发上取得的成就，也为日后的研究奠定了基础。

　　在不懈探索中前行

　　精准的温度漂移补偿是目前国际上各类谐振式硅基微机电系统传感器亟待解决的技术难题。邹旭东利用加速度传感器的特定结构，在充分研究了可能导致温度漂移的多种因素的基础上，充分运用材料学、非线性微机械结构以及校准信号注入与频率分离等技术手段，创新开发了一种有效的宽温区温度漂移精确补偿的系统技术方法。实践证实，使用该技术后，加速度传感器零输入下输出频率的温度漂移系数减小了两个数量级，达到0.5ppm/K，并实现了灵敏度的在线校准，从而大大拓展了谐振微机电系统加速度传感器可以稳定工作的环境温度范围，也为其他谐振式微机电传感器的温度补偿提供了新的思路与方案。

　　同时，邹旭东还负责开发了一款体声波硅微机电陀螺，能够满足在钻井中准确监测和控制微型相对重力仪的布设。这种新型微机电陀螺的结构不同于市面上的常规产品，器件完全基于全对称结构的体声波谐振器，并利用其—对简并模态间的科氏力耦合原理设计研发而成。它通过采取耦合式锚定与旋转对称的通孔阵列两种微机械结构设计，极大地改善了由谐振器锚点和加工误差引起的模态频率失配，从而大幅度提高了角速度分辨率。相比于常规的微机电陀螺，在实现高精度的同时还具有更好的抗震动、抗冲击特性。

　　“实测证明了两个选定简并模态在真空下品质因数均超过106，在无外加补偿条件下两者的谐振频率差异小于3ppm，并可通过偏制电压调节实现模态的完全匹配。由此折算的角速度分辨率超过4×10-4dps/Hz1/2，角度随机游走小于0.4o/hr1/2，偏置稳定性好于5deg/hr。上述指标完全满足对井下传感器位置姿态的测量与控制需求。”邹旭东解释。除上述优势外，体声波硅微机电陀螺作为通用陀螺仪还初步达到了美国国防高等计划研究部2012年提出的实现空-地战术导弹惯性制导的技术要求，与美国佐治亚理工大学等世界著名实验室最新发表的研究成果处于同一水平。