协会官方微信

首页  >>  新闻资讯  >>  专题论述  >>  正文

打破封锁,在国内率先将MEMS传感器技术推向工程应

发布时间:2023-1-6     来源:陕教融媒    编辑:段

“一个国家、一个民族,要想在世界上真正立足并赢得国际社会的尊重,必须占据高科技领域的阵地,一定要把核心技术掌握在自己手中。”中国工程院院士、西安交通大学精密工程研究所所长蒋庄德说。

多年来,蒋庄德心怀“制造强国”目标,夙兴夜寐,埋头苦干,几十年如一日致力于微纳制造与先进传感技术、精密超精密加工与测试技术及装备等方面的研究,在高端MEMS传感技术及核心芯片、数字化精密测量与超精密加工技术及装备的工程科技领域取得了突出成就,在微纳米技术相关基础理论和生物检测技术及仪器等方面开展创新性研究。先后获得国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖2项,并荣获2014年何梁何利基金科学与技术进步奖、2017年首届全国创新争先奖,2020年第十三届光华工程科技奖。


“现在回过头来看,开始做的那些基础性研究非常重要”

上世纪90年代初,MEMS(微机电系统)和纳米技术成为世界高新科技竞争的制高点。

“当时美国通过半导体工艺做出硅基的静电式微电机,这是一个划时代的变革,给了我很大的震动。传统制造模式中,机电产品由分离式器件组装而成,存在一定的加工周期,而通过半导体工艺,可以一次性、大批量地制备出微型机械、电子器件和系统。”蒋庄德回顾说。正是敏锐地意识到了这一发展趋势以及其广阔的前景,1993年,他率先向学校提交了《关于立即开展纳米技术和微型机械研究的报告》,请求尽快开展这方面研究。

作为机械、电子等学科的交叉领域,MEMS和纳米技术研究当时在国内属于新兴领域。开展这项研究,他们没有任何基础,基本处于无资金、无人员、无专业实验室的“三无”状态。当时,在科研经费紧张的情况下,学校拨了两万块钱作为启动资金,支持蒋庄德开展探索性研究。

那是一段难忘的艰苦岁月。蒋庄德花了8000多元从微电子企业购置了五台二手设备,把办公室窗户用黑布一蒙,搭了一个简易暗室,带着几个研究生就干起来了。面对这一陌生领域,他们从最底层、最基础的研究做起,边学边做,每天除了上课就泡在实验室,在非常有限的条件下,一遍遍反复实验。也是从那时候开始,蒋庄德开始了和姚熹院士团队长达30余年的合作。为研制MEMS器件,经常在姚团队30平方米的超净实验室一做就是一两个月,最终成功研制出分度圆直径为300微米的硅基渐开线齿轮和阵列式硅微传感器。

随着研究前景的日渐明晰,蒋庄德获得了越来越多的支持:国家自然科学基金、国防青年基金、国家重点实验室基金、教育部博士点基金……1995年,在学校支持下,团队从中科院化学所购置了扫描隧道显微镜(STM)、计算机等仪器设备,终于拥有了一个50平方米的超净实验室。随后,在学校的支持下建成了当时国内高校最大的3000平方米超净实验室。实验室硬件建设的改善提高,令蒋庄德在MEMS和纳米技术领域的研究如虎添翼。

2000年,国家“863”计划先进制造技术领域预研项目001号“耐高温压力传感器”面向全国招标,蒋庄德团队从8家竞标科研单位中脱颖而出。项目研究过程中,他们开创性地将硅隔离技术应用到高温压力传感器的制备上,成功突破了高温下漏电流对传感器性能的破坏等难题。一年后,项目顺利通过验收,并获得科技部高度认可。后来科技部的相关重点项目就交由蒋庄德团队领衔。一些国家重点、重大项目和企业界的任务也接踵而来。

十年蓄力,一朝薄发。在突破了一系列技术难题之后,蒋庄德带领团队开发了具有自主知识产权的MEMS耐高温、耐高压、高过载、超高g值和集成传感器等系列产品,不仅打破了国外的技术封锁与垄断,而且很多项目成果实现了产业化,广泛应用于航空航天、兵器、船舶、石化等不同领域的数百家军工和民用企业。

历经20多年持之以恒的不懈攻关,蒋庄德终于在国内率先将MEMS传感器技术推向工程应用,实现了从“零的突破”到高端领跑,从而踏上了发展的快车道。他将这段历程形象概括为“十年基础、十年应用、十年上规模发展”。他欣慰地说:“现在回过头来看,开始做的那些基础性研究非常重要,正是有了这些理论和技术基础,才有了后面的快速发展。”

凭着这种咬定青山不放松的韧劲和奋斗精神,多年来,蒋庄德带领团队,坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,不断向科学技术的广度和深度进军,科研工作卓有成效。

2019年底,新冠肺炎疫情爆发。实时荧光PCR核酸检测被世界卫生组织和多个国家确定为新冠肺炎病例确认、疑似排除和出院的依据。但是,一直以来,核心技术被“卡脖子”是PCR仪器国产化难以逾越的鸿沟。关键时刻,蒋庄德团队在多年探索的基础上,在国家重大科学仪器专项的支持下,攻坚克难,研制出具有自主知识产权的国产新型实时荧光定量PCR仪,并实现产业化生产,打破了我国此类高端仪器设备完全依赖进口的局面。团队的“高通量多靶标核酸自动化定量检测关键技术及产业化应用”项目也获得了2020年国家科技进步奖二等奖。

据统计,30多年来,蒋庄德带领团队开展MEMS传感器与核心芯片及其系列器件、纳米计量技术与纳米器件、精密超精密加工技术及装备、精密测量技术及装备、生物检测技术及分子诊断科学仪器等方面的研究,先后承担国家和国防各类重大重点项目及其它省部委科研项目数百项,获得国家技术发明二等奖3项,国家科技进步二等奖3项,省部级奖项30余项,发表论文1300余篇,授权发明专利340余项。

“做学问、搞科研切忌跟风,要经得起各种‘热闹’干扰”

上学至今,蒋庄德大半生的时光基本在西安交通大学度过。这所上世纪中叶响应祖国号召从上海西迁而来的著名高校,60年来扎根西部,赤诚报国,所形成的“胸怀大局,无私奉献,弘扬传统,艰苦创业”的西迁精神,以及“起点高、基础厚、要求严、重实践”的育人传统,对蒋庄德产生了深刻影响。

特别值得一提的是,蒋庄德就读的交大机械学科成立于1913年,底蕴深厚,“大咖”云集,先后培养出了钱学森在内的30多位两院院士。西迁以来仅在机械系从教的就有周惠久、谢友柏、屈梁生、汪应洛、卢秉恒和蒋庄德等六位院士,校内外传为佳话。其中,屈梁生、卢秉恒和蒋庄德三位院士更是出自同一教研室,曾在一起亲密工作多年。

提起曾经的老师和同事,蒋庄德语气分外敬重,一一娓娓道来:董树信教授主要研究表面粗糙度,起草制定了机械加工表面粗糙度国家标准;赵卓贤教授在机械加工表面形状和位置误差方面的研究领先国内;屈梁生院士是我国机械故障诊断学的奠基人,也是将信息学理论引入机械故障诊断研究的第一人;卢秉恒院士作为我国增材制造领域的奠基人和领军人物,与蒋庄德曾同在一个课题组、同住一栋楼,还一同在济南第一机床厂开发超精密车床,一起呆了三年,多年来相互鞭策,情谊深厚……

尤其令蒋庄德印象深刻的是,当年学校对青年教师上讲台的要求很高:先要在教研室、大班课多次试讲,接受教研室几位老教师一遍遍的“打磨”,包括板书、讲话的频率、声调的高低,公式推导的步骤等各个方面,都必须达到要求,过关后才能做助教,再锻炼一段时间方能正式登台授课;自西迁以来,凡进入精密度量实验室,“穿白大褂,先打扫干净卫生,戴上白手套,再开始做实验”的规矩成为所有新老教师的行动自觉,没有一个人搞特殊;老师们在学术上是严厉的,但提携后辈则温煦如春,不遗余力,蒋庄德还清楚地记得,当年他邀请屈梁生院士做自己首个博士生答辩委员会主席,以严格著称的屈先生对于学生取得的成果持赞赏、鼓励的态度,令原本忐忑不安的学生更加坚定了献身科学的信心……在长期的学习和执教生涯中,这种崇德尚实、精勤育人的精神风范在蒋庄德身上打下了深深的烙印。

“做学问、搞科研切忌跟风,要经得起各种‘热闹’干扰。只有坐得住,才能立得稳。”蒋庄德经常这样给团队师生说。秉承“传承、创新、融合”的科研思路,蒋庄德高瞻远瞩又脚踏实地,带领团队勇闯多学科交叉融合新路,坚持不懈开展创新性研究。回顾30多年的科研之路,蒋庄德总结自己“抓住了微纳精密这一主要方向,带出了一支队伍,建立了一个平台。”

蒋庄德团队主要以微型机电子系统和纳米技术、精密超精密加工这两个方向的研究为主。他主持研制的耐高温压力传感器及系列MEMS器件,解决了航空航天、军工、石化、先进制造等领域高温恶劣环境下的压力/加速度测量难题,打破了国外的技术封锁和垄断,并将MEMS产品推向工程应用,引领和带动了高端MEMS传感器技术和敏感芯片的发展。他主持研制出国内首台1500mm大口径非球面车磨复合机床,打破了国外的技术封锁;主持研制出国内首台集齿轮、齿轮加工刀具、曲轴等复杂型面和回转轴件检测为一体的组合式精密测量仪器,成功替代了国外产品。除此之外,蒋庄德团队在PCR聚合酶链式反应生物检测仪器方面的研究已走在世界前列,纳米测量技术方面的研究也获批了多项国家一级标准物质和二级标准物质。近年来开始涉足的量子传感、太赫兹、柔性电子等方向的部分研究也取得了较快进展。

“历史告诉我们,落后、弱小、被动就要挨打。我们要在自己的研究领域内,主动对接航空、航天、船舶、兵器等国家重点领域和重要方向,努力寻求突破,尽己所能为国家做贡献,这是我们每一个科技工作者的责任和义务。”蒋庄德说。

“既要有‘扎下去’的科学精神,也要有‘走出去’的战略眼光”

“蒋老师做事认真严谨,精益求精,对重点项目的材料常常要求‘一个字不能多,一个字不能少’,言传身教令人感动。”团队成员李常胜助理教授说。作为学科带头人,蒋庄德非常注重在重大项目中锻炼、培养青年人。如前段时间申报国家自然科学基金重大项目,他就把超精密加工团队所有年轻教师都召集起来,集聚智慧协力攻坚。经常晚上十一二点了,他还带着大家反复过材料、抠细节,直到无懈可击。

“画好了道,你们只管甩开膀子往前跑,不要有压力和顾虑。”多年来,蒋庄德始终站在科技的最前沿,就像一名舵手,带领着团队在科研的汪洋大海中乘风破浪,行稳致远。

2014年,蒋庄德将一项国家973课题的科研任务交给了还是讲师的田边。项目申请阶段,田边遇到了瓶颈,久攻不下,担心自己把事情搞黄了,就找蒋庄德请求换人。

“没想到蒋老师鼓励我不要怕,他说有时候困难恰恰可能是要突破的前奏,而一旦突破,肯定是有创新,会对未来发展产生重要影响。他的话给了我莫大的鼓励和信心。”蒋庄德的热忱鼓励,令田边心潮澎湃,他振作精神,发愤攻关,最终不仅成功申请到课题,而且还以“优秀”等级结题。此后田边的科研一直围绕着高温薄膜传感器坚持做下来,以出色成绩获得了国家级人才计划。


“科学家既要有‘扎下去’的科学精神,也要有‘走出去’的战略眼光。”

蒋庄德经常鼓励团队师生要学习国际前沿知识,拓展学术视野,想方设法送他们出国深造。

从读硕士时算起,韦学勇教授跟随蒋庄德学习、工作已整整20年。提起2005年蒋老师推荐他去英国伯明翰大学读博士的情形,韦学勇至今历历在目,“当时我硕士毕业已在上海英特尔公司上班。我说老师您推荐我出去,我将来不一定会回咱团队来,我家在江苏,还是想留上海工作。”没想到蒋庄德不假思索地说:“没事,不管你将来在哪工作,都是给国家做贡献,我培养你也是为国家培养人才。”

韦学勇现任教育部微纳制造与测试技术国际联合实验室常务副主任。实验室“聚全球英才而用之”,聚拢了海内外诸多顶尖人才,在国内外享有盛名。蒋庄德“扶上马送一程”,创造各种机会和平台支持他专注做研究。2022年,韦学勇顺利入选国家万人计划领军人才。

“回国之前很多朋友都说会有很多不适应,我也有些担心,没想到很快就进入了状态。这和蒋老师无微不至的关心,以及他‘帮人就是帮己’的管理理念密不可分。”今年春天,海外优青康城玮离开工作了9年的爱尔兰,回国加入了蒋庄德带领的团队。康城玮感动地说,回来后蒋老师每次看到他都要聊几句,从科研方向的推进到结婚买房,无不牵挂在心头。而团队中来自五湖四海的70多位同事,在遇到问题总能拧成一股绳合力解困,相处得非常融洽。

“西安地处经济不太发达的西北,怎样才能吸引来海外优秀人才?就得靠平台、研究方向和研究团队,要想方设法给他们创造和谐宽松、施展才华的空间。”蒋庄德说。现在他所带领的团队已有教授16人,副教授/副研究员23人。其中包括国家特聘教授、教育部奖励计划特聘教授、国家级人才计划、国家杰青、国家万人计划领军人才、国家级青年人才计划、教育部新世纪人才等各类人才。无论从科研实力还是科研贡献度来说,这支队伍在西安交通大学都是屈指可数。在蒋庄德多年的精心引育之下,团队目前已基本形成了50岁、40岁、30岁三个年龄层次、结构合理的人才梯队,既有自己培养的,也有从美国、英国、澳大利亚、日本、法国、德国等国引进的优秀人才。

“团队四五十岁的都在挑大梁,带队在一线冲锋陷阵,近两年引进的不少海外人才很快也形成了研究成果。”67岁的蒋庄德欣慰地说。如今,“当人梯”、提携后辈早已成为他领导学科发展的重中之重,是他殚精竭虑的一项很重要的工作。“现在重点是培养30多岁的青年人,确保团队可持续发展。”他说。

在系统开展有组织的科研的同时,蒋庄德带领团队还坚持把论文写在祖国的大地上。在多年来深化与北京、山东、江苏以及陕西省宝鸡市等地企业合作的基础上,他们在近期又紧锣密鼓地加快与浙江、广东以及陕西西安等地的科研合作,与众多科研单位和企业进行紧密联系。蒋庄德坚定地说:“我们作为科技工作者,既要脚踏实地做好自己的工作,勇于攀登科技发展高峰,推动自主创新实现新突破。同时,也要努力让自己的科技创新成果走出实验室,将更多的‘科技之花’转化为‘产业之果’,以造福社会、造福于民。”


伟德体育官网版权所有   |   京ICP备13023518号-1   |   京公网安备 110102003807
地址:北京市西城区百万庄大街16号1号楼6层   |   邮编:100037   |   电话:010-68596456 / 68596458
战略合作伙伴、技术支持:中国机械工业联合会机经网(MEI)