李昕欣：一顆MEMS傳感器芯片改變了一整類高端科學儀器的命運

10月23日，上海市科學技術獎再度揭曉。胸懷“國之大者”，堅持“四個面向”，一大批標志性成果競相涌現(xiàn)，為正處于關鍵躍升期的上海國際科技創(chuàng)新中心建設增添底色和亮度。

九三學社上海市委咨詢專家團成員、原副主委，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所副總工程師李昕欣主持完成的項目“變溫諧振微懸臂梁的材料原位測量分析方法與科學儀器技術”榮獲2023年上海市技術發(fā)明獎一等獎。

讓我們一起走近這項優(yōu)秀創(chuàng)新成果！

項目名稱：變溫諧振微懸臂梁的材料原位測量分析方法與科學儀器技術

完成單位：中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所等

完成人：李昕欣 等

獎勵等級：技術發(fā)明一等獎

與物質相關的科學分析儀器中的一類為吸附與熱分析儀器，是用變溫實驗來表征分析材料或反應相關的表界面和體內(nèi)結構理化性質，是新材料、新能源、催化反應和環(huán)境保護等“雙碳”戰(zhàn)略科技相關的每個實驗室必備的重要儀器。

該類科學儀器的高端產(chǎn)品技術長期以來被美、歐、日這些西方發(fā)達國家壟斷，不只價格昂貴，還可使我國在相關科研手段和工具的源頭上被“卡脖子”。并且，該類進口儀器目前已很難滿足當今尖端科技應用的需求，對精細特性經(jīng)?！皽y不準甚至測不到”。原因是該類儀器測量分析核心部分釆用精密結構式的熱天平-加熱爐系統(tǒng)，在程序升溫過程中測量質量變化的最好分辨能力僅為1微克，樣品需求量為數(shù)十毫克，即使在較慢的升溫速度下，也很難測準甚至測不到很多理化特性參數(shù)值。而經(jīng)過長期改進，沿著精密結構改進的路已達極限，需從零到一探尋原始創(chuàng)新技術來解決。

圖1 李昕欣領獎照片

在科技發(fā)展歷史上，芯片技術無數(shù)次對傳統(tǒng)技術進行了顛覆，包括智能手機等相機CIS芯片對感光膠片相機的顛覆等等。這一次，MEMS傳感芯片的研究者再一次實現(xiàn)了顛覆性創(chuàng)新。中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的李昕欣教授團隊經(jīng)過十幾年奮斗，首創(chuàng)出一種集成MEMS傳感測量芯片，將僅有數(shù)十納克的樣品上載于一種硅微懸臂梁上，在微米尺寸的懸臂梁上集成了程序升溫、微機械諧振驅動和頻率檢測元件，實現(xiàn)了在快速升溫中原位測量化學反應或表面吸附引起的微小質量變化，一次將分辨能力提高了6個數(shù)量級至優(yōu)于1皮克，首次達到了動態(tài)測量作用分子數(shù)的統(tǒng)計熱力學和動力學過程的水平。有了如此強大的超靈敏原位測量能力，就可以對該類儀器進行技術的根本性升級了。

圖2 超靈敏原位變溫測量微懸臂梁MEMS芯片技術

將傳感芯片的測量方法與物質理化特性理論和量化表征方程等有機結合，再配以儀器相關的軟硬件技術開發(fā)，最終在全球首次實現(xiàn)了芯片測量化的系列創(chuàng)新儀器。具體看，儀器的重大科技創(chuàng)新包括如下三個方面。

一、將現(xiàn)有儀器的非原位測量方法變革為原位測量，將全球當前在用的非原位測量TPD儀換代為原位測量的in-situ TPD儀。TPD全稱為程序升溫脫附分析儀，是研究催化特性重要的科學儀器。當前的進口儀器因為在樣品原位根本測不到升溫過程中痕量的脫附分子數(shù)量，不得已要外聯(lián)昂貴的質譜檢測器在尾氣端進行非原位測量，造成經(jīng)?！皽y不準和測不到”。特別是對脫附活化能這個催化活性最重要的參數(shù)，即使耗時多天反復多次升溫實驗后，也只能用描點作圖直線擬合法近似估算，而往往因為數(shù)據(jù)點分散造成測不到活化能。本發(fā)明首次實現(xiàn)了超高靈敏度原位測量，將TPD變革為樣品原位測量，終于使原來測不到的測到了，測不準的測準了。尤其是活化能的測量變革顛覆了儀器長期沿用的中外教科書經(jīng)典。僅用一次快速升溫，即可將測到的更詳盡實驗數(shù)據(jù)帶入經(jīng)典動力學方程精確解析求解出活化能，同時使分析時長從數(shù)天縮短至數(shù)小時。而原位測量活化能的新原理方法也即將寫入教科書，成為中國人書寫的全新科學經(jīng)典。

圖3 原位TPD儀對現(xiàn)有非原位TPD儀的科學和技術顛覆

圖4 全球首款界面熱力學和動力學參數(shù)同時測量的儀器方法

二、無中生有，發(fā)明了全球首款界面熱力學和動力學整套參數(shù)測量儀。物質界表面與分子作用是先進材料的常見功能，需要對理化特性進行定量表征。但作為理化特性的熱力學和動力學兩大類參數(shù)，至今都無法同時測量，原因是在分子作用過程的非平衡態(tài)下，一直沒有一種可同時測量兩類參數(shù)的方法。本成果用懸臂梁變溫原位測量開創(chuàng)了可同時測量界面熱力學和動力學的方法，首創(chuàng)出界面熱力學/動力學整套參數(shù)測量儀ITKP，填補了該儀器的全球空白，并使我國在國際率先建立了該項國家標準。

三、使熱分析儀首次實現(xiàn)與顯微表征的原位同時聯(lián)用。該類儀器長期使用龐大笨重的加熱爐-熱天平裝置，根本無法將樣品同時置于顯微鏡頭下。而成果用原位變溫測量微懸臂梁首創(chuàng)出的微芯片式熱重分析儀TGA和熱重+量熱綜合熱分析儀TGA-DSC，可以放到顯微鏡下，對樣品同時進行顯微表征。目前已經(jīng)實現(xiàn)了多個世界首次：在顯微鏡下對單個微顆粒進行熱分析，熱分析與顯微拉曼光譜聯(lián)合分析及與紅外光譜聯(lián)合分析，熱分析與透射電鏡原位同步分析等。這對當今新材料研發(fā)急需的原位工況（operando）分析意義重大，換代提升了熱分析的科學價值。

圖5 TGA將熱重儀換代為顯微表征先進儀器，提升了熱分析科學價值

再好的創(chuàng)新成果，也只有在落地應用后才能產(chǎn)生技術顛覆性。在專利技術轉化和風險投資支持下，于2000年底創(chuàng)建了廈門海恩邁科技有限公司（及其全資研發(fā)子公司上海邁振電子科技有限公司），李昕欣為公司起名“海恩邁”，借用了英文High-end MEMS的諧音，這也是為MEMS傳感器技術在全球首次開拓出該高端儀器的嶄新應用方向。短短三年，至今已經(jīng)銷售儀器整機數(shù)十臺和測量模組2萬套，除了在包括多個院士團隊在內(nèi)的我國重要科研平臺上推廣應用外，國產(chǎn)高端科學儀器還罕見地反向出口至發(fā)達國家著名科學機構，如比利時魯汶大學和新加坡國立大學等，儀器以全球領先的技術水平為眾多用戶產(chǎn)出重要研究成果起到了關鍵的作用，獲得了國內(nèi)外儀器用戶科學家的高度評價。

圖6 基于一個芯片發(fā)明的系列高端科學儀器已實現(xiàn)產(chǎn)品化應用推廣

一個小小的芯片，改變了這類科學儀器的命運。不只是多臺吸附分析和熱分析儀器各自技術升級換代了，更有顛覆性意味的是，原來相互完全獨立的吸附分析儀和熱分析儀，由于如今使用的是同一顆核心芯片，因此兩種分析儀器功能現(xiàn)在可在一臺儀器中全部完成，根本性地改變了長期保持的分析儀器分類格局。

來源：中國MEMS產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟