传感器领域的“铁骑兵” 记西安交通大学机械工程学院赵玉龙团队

赵玉龙 受访者供图

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。西安交通大学机械工程学院赵玉龙团队便是这样一支厚积薄发的队伍。经过十余年的攻坚克难，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。

探索新知投身传感器领域

“其实我没什么特别之处，只是专注做MEMS（微机电系统）传感器，坚持在这个领域里探索新知。”赵玉龙说，他本科毕业后在中国船舶工业705所工作了5年，为了更加系统而深入地进行科学研究，他回到西安交大，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。“传感器就是机械的感知神经。”赵玉龙拉开手边的抽屉，里面满满当当都是传感器芯片。他笑着拿出一个芯片兴致勃勃地介绍，“在这个指尖大小的芯片中既有机械结构，又有测量电路和电子转换器等，这是一个系统工程，我所做的工作就是在这个小小的芯片中实现耐高温、超高压、高过载等功能。”

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。而在航天航空发动机、飞行器、导弹、水下兵器、石化、燃爆冲击等领域，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。“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。”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，这一头扎进去就是十几年。

攻坚克难造就系统工程

2005年，赵玉龙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。接下来，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，他们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又接踵而至。赵玉龙带领着团队攻克了一道道难关，提出了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，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。

记者王江黎

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