文／朱　琳

　　傳感器，被譽(yù)為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一，是感知世界、萬物互聯(lián)的神經(jīng)觸角。高溫傳感器作為傳感器中的特殊種類，在航空航天、地?zé)崮茉?、核電安全等領(lǐng)域重大裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中發(fā)揮著“眼”的作用，重要且亟需。目前，我國中高端傳感芯片進(jìn)口率高達(dá)90%，高溫特種傳感器更是長期依賴進(jìn)口，在國際貿(mào)易中處于不利地位。為了打破這一技術(shù)壟斷，吳晨及其團(tuán)隊扎根西部，聚焦高溫系列特種傳感芯片國產(chǎn)化研發(fā)，為我國基礎(chǔ)科研及重大裝備技術(shù)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

　　自主創(chuàng)新 聚焦國家重大需求

　　吳晨，西安交通大學(xué)青秀計劃A 類青年教師，中國機(jī)械工程學(xué)會、中國儀器儀表學(xué)會等高級會員，2023 年全國“博新計劃”獲得者。她本科就讀于西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，大三期間便與“高溫傳感器”結(jié)緣。當(dāng)時，吳晨以班級學(xué)業(yè)成績排名第一的優(yōu)勢確定了保研資格和擬就讀院校及導(dǎo)師，經(jīng)過郵件溝通后，在西安交通大學(xué)興慶校區(qū)西二樓精密所辦公室第一次見到了研究生擬錄取導(dǎo)師蔣莊德院士。寒暄過后，蔣老師語重心長地向她介紹了精密所的科研情況，他說：“MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）方面，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院精密所是全國第一批開展相關(guān)研究和實驗室布局的單位之一，正在計劃開展基于第三代半導(dǎo)體碳化硅的高溫壓力傳感器研究。這是寬溫區(qū)MEMS 傳感器研究的重要環(huán)節(jié)，是提高我國兩機(jī)和先進(jìn)制造整體水平十分關(guān)鍵的一環(huán)。美國NASA和歐洲等國家已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品并應(yīng)用在航空航天上，但這一方向國內(nèi)起步較晚，技術(shù)上任重道遠(yuǎn)。”當(dāng)時只道是尋常，殊不知與蔣老師的這次談話正式開啟了她人生之后長達(dá)數(shù)年“急國家之所急，研國家之所需”的科研道路。

　　大四畢業(yè)那年，吳晨以班級第一的成績正式保送至西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院蔣莊德院士團(tuán)隊（碩博連讀）。蔣老師高屋建瓴，高瞻遠(yuǎn)矚，為她確定了研究方向——基于第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅的MEMS 特種高溫壓力傳感器研究。和大多數(shù)人一樣，吳晨初入科研的階段是迷茫的、艱難的，尤其是沒有前期研究基礎(chǔ)，從理論到仿真到實驗都需要自己去摸索、去搭建。研一一年，吳晨都在閱讀文獻(xiàn)中度過，總結(jié)了5 萬多字的文獻(xiàn)閱讀筆記。另外，在兼顧課程的同時，她積極參加社會實踐，擔(dān)任西安交通大學(xué)黨委辦公室、校長辦公室學(xué)生助理團(tuán)副秘書長，西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院研究生會執(zhí)行副秘書長，博1903 班班長等職位，為學(xué)生和教師等積極服務(wù)，獲得了一系列榮譽(yù)稱號。

　　研二后半年，吳晨確定了自己要轉(zhuǎn)為博士繼續(xù)從事科研，便結(jié)束了所有的社團(tuán)及學(xué)生組織任職，全身心投入學(xué)習(xí)和研究。這期間，她針對自己研究方向中的核心研究內(nèi)容，提出了一系列的創(chuàng)新方法、結(jié)構(gòu)和工藝。2022 年4 月，她獲得國家留學(xué)基金委資助，8 月前往日本東京大學(xué)留學(xué)一年。

　　這期間，吳晨和團(tuán)隊成員先后解決了傳感器芯片結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝設(shè)計、碳化硅晶圓片參數(shù)設(shè)計后，緊接著面臨一個重要的難題：按照國外文獻(xiàn)的參數(shù)制備不出能耐受600℃高溫的碳化硅歐姆接觸電極，嚴(yán)重限制了傳感器的耐溫性能。在將近一年的時間里，她幾乎每天都去微納實驗室研究歐姆接觸，擺脫文獻(xiàn)參數(shù)干擾，重新系統(tǒng)性地設(shè)計實驗組合，調(diào)整歐姆接觸工藝參數(shù)，反復(fù)驗證，分析失敗原因，后來終于在一次半導(dǎo)體分析測試中得到了線性的歐姆接觸特性，獲得了可耐受600℃高溫的碳化硅歐姆接觸體系及其工藝參數(shù)。和常規(guī)傳感器相比，高溫傳感器的技術(shù)難點多，研發(fā)難度更大。除了考慮傳感器芯片自身及歐姆接觸需要耐受高溫，其他封裝結(jié)構(gòu)、材料等也全部需要耐受高溫，這無疑是一項巨大的挑戰(zhàn)。課題組前期研究的硅基封裝不再適用，為了研究耐高溫封裝方案，她和團(tuán)隊其他成員分工協(xié)作，購買了20 余種耐高溫粘接劑，按照說明書進(jìn)行性能測試和方案論證，并提出了低應(yīng)力冗余粘接固定方案，極大提升了壓力傳感器的封裝耐高溫性能。2022 年5 月，航發(fā)渦輪院項目結(jié)題需要開展傳感器模擬風(fēng)洞性能測試。完成現(xiàn)場布線安裝后，轟隆隆的加熱爐像在這群年輕學(xué)者的心上灼燒，焦急又擔(dān)憂。看著傳感器輸出一直穩(wěn)定波動，并承受住了5 小時600℃高溫疲勞測試，他們知道，終于邁出了高溫壓力傳感器國產(chǎn)化關(guān)鍵的第一步！自此，吳晨和團(tuán)隊其他成員進(jìn)行了持續(xù)的性能優(yōu)化和封裝迭代，共同開展深入研究，朝著研發(fā)性能更加穩(wěn)定的可工程化的傳感器產(chǎn)品邁進(jìn)。

　　總而言之，團(tuán)隊?wèi){借第三代寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、化學(xué)特性，研發(fā)了可耐受600℃高溫的碳化硅壓力傳感器，為高端精密傳感器研究作出了基礎(chǔ)理論貢獻(xiàn)，對傳感器工程化應(yīng)用進(jìn)行了有效探索，為解決航空航天發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等國家重大戰(zhàn)略領(lǐng)域高端裝備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及故障預(yù)警提供了傳感技術(shù)參考，推動了我國高溫系列特種傳感器高精度、微型化、國產(chǎn)化自主研發(fā)進(jìn)程。

　　不忘初心 踏實奮進(jìn)拓新路

　　讀博至今，吳晨一直從事基于第三代半導(dǎo)體碳化硅的MEMS 器件傳感機(jī)理、制造及應(yīng)用研究。獲批“全國博士后創(chuàng)新人才支持計劃”，在Microsystems & Nanoengineering、International Journal of Mechanical Sciences 等國際知名期刊發(fā)表與本項目相關(guān)的SCI 論文15 篇、EI 論文2 篇；申請發(fā)明專利28 項和軟件著作2 項；獲得領(lǐng)域內(nèi)國際會議“最佳論文獎”2 次。她和團(tuán)隊成員前期關(guān)于碳化硅壓力傳感器的相關(guān)研究通過了航發(fā)現(xiàn)場試驗驗證考核，獲得了省計量院的檢定認(rèn)證。在科技競賽方面，先后獲得2018 年中國（國際）傳感器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（西北賽區(qū)）二等獎、2019 年機(jī)械工程學(xué)科博士生論壇全國二等獎、2020 中國大學(xué)生機(jī)械工程創(chuàng)新創(chuàng)意大賽初賽一等獎。作為項目骨干參與和主持國家自然科學(xué)基金面上項目、重大項目，中國博士后面上基金，兩機(jī)專項及中航發(fā)產(chǎn)學(xué)研合作項目等。

　　能取得今天的成績，吳晨深知得益于團(tuán)隊及導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)和大力支持，她所在的精密工程研究所團(tuán)隊為國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體、長江學(xué)者創(chuàng)新團(tuán)隊，包括中國工程院院士、國家杰出青年基金獲得者、長江學(xué)者特聘教授等各類人才。在先進(jìn)制造研究領(lǐng)域，針對航空航天發(fā)動機(jī)、導(dǎo)彈、水下兵器、登月、燃爆沖擊等特種需求，解決在微小尺度下對壓力、加速度進(jìn)行高動態(tài)、高靈敏測量，為國家特種與軍工急需產(chǎn)品提供性能評估和創(chuàng)新設(shè)計依據(jù)。她所在的精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室具有完備的先進(jìn)傳感器與系統(tǒng)的設(shè)計制造、封裝測試和校準(zhǔn)溯源平臺，為各類傳感器系統(tǒng)的研制奠定了基礎(chǔ)，建設(shè)了百級、千級的恒溫、隔振超凈實驗室，擁有先進(jìn)的微納加工與檢測設(shè)備。建設(shè)有機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，擁有大量檢測設(shè)備，建立了完善的傳感器測試平臺。

　　回顧多年的科研生涯，其中的艱辛仍歷歷在目，但取得科研成果帶來的成就感更令人動容。為此，吳晨博士畢業(yè)后放棄了南方城市幾家單位拋出的橄欖枝，選擇與團(tuán)隊同伴們并肩戰(zhàn)斗，堅守科研一線，留在這片生她養(yǎng)她的西北大地，轉(zhuǎn)變身份角色繼續(xù)開展高溫系列傳感器研究。“人這一生，青年時間是有限的，我們無法在一開始決定選擇的好壞，在有得必有失的來回往復(fù)里，我們能做的只有踏實奮進(jìn)每一天，讓自己的選擇成為更好的選擇。”雖然沒有太多的豪言壯志，但吳晨為了科研“甘坐冷板凳”的精神令人敬佩，相信攀登科研高峰的腳步將更加穩(wěn)健。

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