专研高温传感 赋能大国重器

　　文／朱　琳

　　传感器，被誉为现代信息技术三大支柱之一，是感知世界、万物互联的神经触角。高温传感器作为传感器中的特殊种类，在航空航天、地热能源、核电安全等领域重大装备运行状态监测中发挥着“眼”的作用，重要且亟需。目前，我国中高端传感芯片进口率高达90%，高温特种传感器更是长期依赖进口，在国际贸易中处于不利地位。为了打破这一技术垄断，吴晨及其团队扎根西部，聚焦高温系列特种传感芯片国产化研发，为我国基础科研及重大装备技术发展作出了突出贡献。

　　自主创新 聚焦国家重大需求

　　吴晨，西安交通大学青秀计划A 类青年教师，中国机械工程学会、中国仪器仪表学会等高级会员，2023 年全国“博新计划”获得者。她本科就读于西安电子科技大学机电工程学院，大三期间便与“高温传感器”结缘。当时，吴晨以班级学业成绩排名第一的优势确定了保研资格和拟就读院校及导师，经过邮件沟通后，在西安交通大学兴庆校区西二楼精密所办公室第一次见到了研究生拟录取导师蒋庄德院士。寒暄过后，蒋老师语重心长地向她介绍了精密所的科研情况，他说：“MEMS（微机电系统）方面，西安交通大学机械学院精密所是全国第一批开展相关研究和实验室布局的单位之一，正在计划开展基于第三代半导体碳化硅的高温压力传感器研究。这是宽温区MEMS 传感器研究的重要环节，是提高我国两机和先进制造整体水平十分关键的一环。美国NASA和欧洲等国家已经有相关产品并应用在航空航天上，但这一方向国内起步较晚，技术上任重道远。”当时只道是寻常，殊不知与蒋老师的这次谈话正式开启了她人生之后长达数年“急国家之所急，研国家之所需”的科研道路。

　　大四毕业那年，吴晨以班级第一的成绩正式保送至西安交通大学机械学院蒋庄德院士团队（硕博连读）。蒋老师高屋建瓴，高瞻远瞩，为她确定了研究方向——基于第三代宽禁带半导体碳化硅的MEMS 特种高温压力传感器研究。和大多数人一样，吴晨初入科研的阶段是迷茫的、艰难的，尤其是没有前期研究基础，从理论到仿真到实验都需要自己去摸索、去搭建。研一一年，吴晨都在阅读文献中度过，总结了5 万多字的文献阅读笔记。另外，在兼顾课程的同时，她积极参加社会实践，担任西安交通大学党委办公室、校长办公室学生助理团副秘书长，西安交通大学机械学院研究生会执行副秘书长，博1903 班班长等职位，为学生和教师等积极服务，获得了一系列荣誉称号。

　　研二后半年，吴晨确定了自己要转为博士继续从事科研，便结束了所有的社团及学生组织任职，全身心投入学习和研究。这期间，她针对自己研究方向中的核心研究内容，提出了一系列的创新方法、结构和工艺。2022 年4 月，她获得国家留学基金委资助，8 月前往日本东京大学留学一年。

　　这期间，吴晨和团队成员先后解决了传感器芯片结构优化和工艺设计、碳化硅晶圆片参数设计后，紧接着面临一个重要的难题：按照国外文献的参数制备不出能耐受600℃高温的碳化硅欧姆接触电极，严重限制了传感器的耐温性能。在将近一年的时间里，她几乎每天都去微纳实验室研究欧姆接触，摆脱文献参数干扰，重新系统性地设计实验组合，调整欧姆接触工艺参数，反复验证，分析失败原因，后来终于在一次半导体分析测试中得到了线性的欧姆接触特性，获得了可耐受600℃高温的碳化硅欧姆接触体系及其工艺参数。和常规传感器相比，高温传感器的技术难点多，研发难度更大。除了考虑传感器芯片自身及欧姆接触需要耐受高温，其他封装结构、材料等也全部需要耐受高温，这无疑是一项巨大的挑战。课题组前期研究的硅基封装不再适用，为了研究耐高温封装方案，她和团队其他成员分工协作，购买了20 余种耐高温粘接剂，按照说明书进行性能测试和方案论证，并提出了低应力冗余粘接固定方案，极大提升了压力传感器的封装耐高温性能。2022 年5 月，航发涡轮院项目结题需要开展传感器模拟风洞性能测试。完成现场布线安装后，轰隆隆的加热炉像在这群年轻学者的心上灼烧，焦急又担忧。看着传感器输出一直稳定波动，并承受住了5 小时600℃高温疲劳测试，他们知道，终于迈出了高温压力传感器国产化关键的第一步！自此，吴晨和团队其他成员进行了持续的性能优化和封装迭代，共同开展深入研究，朝着研发性能更加稳定的可工程化的传感器产品迈进。

　　总而言之，团队凭借第三代宽禁带半导体碳化硅优异的电学、机械、化学特性，研发了可耐受600℃高温的碳化硅压力传感器，为高端精密传感器研究作出了基础理论贡献，对传感器工程化应用进行了有效探索，为解决航空航天发动机、燃气轮机等国家重大战略领域高端装备运行状态监测及故障预警提供了传感技术参考，推动了我国高温系列特种传感器高精度、微型化、国产化自主研发进程。

　　不忘初心 踏实奋进拓新路

　　读博至今，吴晨一直从事基于第三代半导体碳化硅的MEMS 器件传感机理、制造及应用研究。获批“全国博士后创新人才支持计划”，在Microsystems & Nanoengineering、International Journal of Mechanical Sciences 等国际知名期刊发表与本项目相关的SCI 论文15 篇、EI 论文2 篇；申请发明专利28 项和软件著作2 项；获得领域内国际会议“最佳论文奖”2 次。她和团队成员前期关于碳化硅压力传感器的相关研究通过了航发现场试验验证考核，获得了省计量院的检定认证。在科技竞赛方面，先后获得2018 年中国（国际）传感器创新创业大赛（西北赛区）二等奖、2019 年机械工程学科博士生论坛全国二等奖、2020 中国大学生机械工程创新创意大赛初赛一等奖。作为项目骨干参与和主持国家自然科学基金面上项目、重大项目，中国博士后面上基金，两机专项及中航发产学研合作项目等。

　　能取得今天的成绩，吴晨深知得益于团队及导师的悉心指导和大力支持，她所在的精密工程研究所团队为国家自然科学基金创新研究群体、长江学者创新团队，包括中国工程院院士、国家杰出青年基金获得者、长江学者特聘教授等各类人才。在先进制造研究领域，针对航空航天发动机、导弹、水下兵器、登月、燃爆冲击等特种需求，解决在微小尺度下对压力、加速度进行高动态、高灵敏测量，为国家特种与军工急需产品提供性能评估和创新设计依据。她所在的精密微纳制造技术全国重点实验室具有完备的先进传感器与系统的设计制造、封装测试和校准溯源平台，为各类传感器系统的研制奠定了基础，建设了百级、千级的恒温、隔振超净实验室，拥有先进的微纳加工与检测设备。建设有机械制造系统工程国家重点实验室，拥有大量检测设备，建立了完善的传感器测试平台。

　　回顾多年的科研生涯，其中的艰辛仍历历在目，但取得科研成果带来的成就感更令人动容。为此，吴晨博士毕业后放弃了南方城市几家单位抛出的橄榄枝，选择与团队同伴们并肩战斗，坚守科研一线，留在这片生她养她的西北大地，转变身份角色继续开展高温系列传感器研究。“人这一生，青年时间是有限的，我们无法在一开始决定选择的好坏，在有得必有失的来回往复里，我们能做的只有踏实奋进每一天，让自己的选择成为更好的选择。”虽然没有太多的豪言壮志，但吴晨为了科研“甘坐冷板凳”的精神令人敬佩，相信攀登科研高峰的脚步将更加稳健。

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