中国宇航出版社-丁衡高院士微米纳米技术文集

内容简介

本书整体上按照发展战略研究、科学技术综述、科学技术研究这三类题材，收集了丁衡高院士已公开发表的关于微米纳米技术领域的讲话致辞、学术报告和科技论文共36篇

前言

1994年，丁衡高院士首次提出“微米纳米技术”概念，全力倡导开展这项事关国家安全、国民经济和社会发展的基础性、前瞻性、战略性高技术研究，至今已过去30年。30年来，我国微米纳米技术快速发展，在基础研究、技术开发、产业发展等方面取得了令人瞩目的成就，部分领域已走在国际前列，呈现出良好的发展态势。

饮水思源，丁衡高院士作为这一新兴技术研究的倡导者、开拓者和参与者，为30年来我国微米纳米技术的进步和发展做出了不可磨灭的开创性贡献。

丁衡高院士创造性地提出了“微米纳米技术”概念。20世纪90年代初，微机电系统技术在国际上开始崭露头角，我国MEMS技术研究则刚零星起步。另一方面，国际上纳米技术始见端倪，以原子力仪为代表的新技术为人类观察和操纵原子层面提供了有力手段，我国纳米技术方面的研究还大多集中在纳米材料和纳米表征方面，而纳米器件则鲜有研究。在此关键时刻，丁衡高院士以其战略科学家的敏锐思维和远见，创造性地提出了“微米纳米技术”概念。他认为，人类社会在改造自然方面，已从宏观层次进入微米层次，进而发展到纳米层次，由此产生的微米纳米技术必将迎来快速发展时期，我国应及早开展这方面的研究工作，并强调，微米技术与纳米技术应统筹融合发展。他指出，纳米技术是用单个原子或分子来构造特定功能产品的科学技术，它将开发物质的信息资源与结构潜力，使单位体积的物质储存和处理信息能力实现飞跃，从而导致人类认识世界、改造世界的能力发生重大突破；纳米技术将成为微米技术拓展认识事物的窗口，而微米技术可以作为工具来访问和分析纳尺度世界，集成应用在微纳系统中。他进一步解释说，微米纳米技术这个提法，既考虑到以微机电系统为代表的微米技术已取得进展的现实性，又着眼于刚刚起步的纳米技术的前瞻性、基础性，这样就能科学地将 “Top down”和“Bottom up”两类技术发展路径贯穿在我国微米纳米技术发展战略中。微米纳米技术这一概念的提出，在当时（20世纪90年代初）不仅很快统一了国内学术界的认识，而且促进了本学科的发展。这一概念也得到了国际同行的广泛认同。

丁衡高院士倾力推动将我国微米纳米技术上升到国家战略高技术层面。为了更好地推动国内微米纳米技术这门新兴学科的发展和及早应用到军事技术中，丁衡高院士于1994年11月2日，给中央领导同志写信并呈送所著《面向21世纪的军民两用技术——微米纳米技术》，他的关于在国家层面尽早开展微米纳米技术及相关学科研究工作的建议，得到中央的高度重视与充分肯定，国务院主要领导和分管科技工作的副总理批示支持开展研究、跟踪和应用。次年，为促进微米纳米技术领域的学术交流和技术协作，他在军口成立了国内首个微米纳米技术专家咨询组，指导建立国内首个微米纳米技术国防科技重点实验室，并倡导成立了中国微米纳米技术学会，我国微米纳米技术研究藉此进入蓬勃发展的新阶段。

2000年1月26日，他与清华大学时任精密仪器系主任周兆英教授一起再次致书中央，力陈加速开展我国微米纳米技术，尤其是MEMS技术研究的重要性和紧迫性。在中央领导的重视和支持下，国家科技部于当年成立了国家863计划微机电系统技术发展战略研究专家组，年近七旬的丁衡高院士受邀挂帅担任组长。在他主持下，专家组提出了“发展高技术、促进产业化”“在世界高技术领域占有一席之地”的我国MEMS发展战略指导思想和“需求牵引、技术推动、重点突破”的发展方针。专家组同志用一年的时间圆满完成了发展战略研究工作，制定了我国MEMS研究发展战略纲要，提出了切合实际的发展战略与技术途径，特别强调了以惯性、信息和生物三大技术方向为主攻目标，加强相关基础能力建设，包括MEMS加工、封装测试等，还提出建立以微系统应用为牵引、以批生产的厂家为主体、以市场为导向、产学研相结合的微米纳米技术创新体系。这些工作极大地推动了我国微米纳米技术的研究、开发和产业化进程。

丁衡高院士提出以高性能微惯性器件为重点的我国MEMS发展战略。微米纳米技术是由相关专业、学科与先进工程技术相结合，基础研究与应用探索研究紧密联系的新兴尖端科学技术；它不仅涵盖信息、材料、生物、医疗等领域，还涉及如制造学、显微学、物理学、化学等学科；其研究内容包括材料结构与性能研究、功能开发应用研究等，十分广泛。究竟选择什么研究方向和目标作为我们的首选、突破口和重点，是我国微米纳米技术工作者急需回答的问题。对此，在20世纪90年代初，丁衡高院士预见到微米纳米技术对惯性技术将带来颠覆性影响，提出“九五”“十五”期间要把高端微惯性器件研制作为发展我国军用微米纳米技术的重点和突破口，围绕微型惯性测量组合（MIMU）等相关技术开展攻关；“十一五”期间，他又指出要在高端微惯性器件走向应用的同时，对射频微机电系统（RF MEMS）技术及微能源技术要予以充分重视。他指出，基础研究中的概念、建模分析，尤其是关键共性的技术实现手段，包括加工工艺、测试与封装等研究是MEMS技术研究开发的重点。他还对MEMS的应用途径和长远发展问题进行了深入探索，强调：研制MEMS器件需要标准工艺；研制不同MEMS器件需要开发特殊工艺；专用集成电路（ASIC）和MEMS集成很重要，要使MEMS器件具备自检测、自标定和自补偿功能；圆片级封装是MEMS封装的发展趋势；MEMS只有做到微纳结合才有生命力等。正是由于他的高瞻远瞩，我国微米纳米技术研究尤其是MEMS技术领域从一开始就战略清晰、方向正确、目标明确，不仅建立和完善了良好的研究环境与加工平台，还为后续稳定快速发展奠定了基础。

近年来，丁衡高院士与惯性技术界有关同志回顾了我国惯性MEMS的发展历程与成就，分析了国内外惯性MEMS技术的快速发展状况及成功典型应用情况，并以国内企业将6轴集成MIMU应用于智能辅助驾驶，在车载定位这个细分赛道走在国际前列为例，总结了发展惯性MEMS的若干经验：把高性能惯性MEMS作为发展军用微米纳米技术重点的战略是正确的；惯性MEMS的颠覆性主要体现在创新应用上，不仅大大推动了传统装备的制导化和智能化水平，还催生了大量新装备和新产品；高性能惯性MEMS的大批量推广应用是依靠持续的技术突破和敢为天下先的创新精神。他还为惯性MEMS的发展指明了方向，即集成化、智能化、高效率。

丁衡高院士悉心指导我国微系统技术及微纳器件研究和应用。他始终置身于科研实践一线，指导、参与许多具体项目、课题的设计、研究和实验。例如，在微陀螺仪、微加速度计、MIMU、微惯性/卫星组合导航系统等关键技术攻关，以及微纳结构设计、高精度体硅深刻蚀、ASIC电路、误差自补偿、深组合导航算法等核心技术突破中均对相应的研发团队给予了具体指导，成效显著。

指导研制的MIMU系列化产品，体积、功耗相比传统器件均降低1个数量级以上，在航空炸弹、巡航导弹、远程轰炸机、反坦克弹等型号任务中获得成功应用；指导研制的抗高过载MEMS加速度计已在侵彻弹药中成功列装，打破了国外禁运，使我国智能引信技术达到世界先进水平。

他最早提出开展基于MEMS的微纳卫星技术研究。在他指导下，清华大学突破了基于MEMS的空间姿态测量新原理、新方法，研制了具有自主知识产权的系列微型化姿态传感器，精度达到国际先进水平；清华大学、浙江大学分别于2004年4月和2010年9月成功研制国内首颗纳卫星和皮卫星，它们分别是当时世界上成功在轨运行的最小的纳卫星和皮卫星。

指导研制的MEMS微型光谱仪，已形成战场急救快速检测、深海石油井下在线检测等原创性核心装备，填补了国内外空白；指导研发和标定的世界首台套流体壁面剪应力测试仪，解决了大型客机气动和潜艇水动减阻优化设计等重大工程问题。

丁衡高院士一贯强调微纳融合是MEMS创新发展的关键，鼓励青年学者开展前沿基础研究，并就具体科研问题进行深入探讨。2008年，他指导的博士后在国际上首次发现了纳电极阵极化带效应。对此，丁衡高院士科学地提出：微纳电极阵产生的极化带电场，是特定条件下的微纳结构效应；从热力学的观点看，结构效应在这里显现为系统负熵，是输入能量中可利用的有效能量；构建结构效应与负熵之间的理论关系，通过负熵的理论从热力学的角度思考高效微纳系统设计问题意义重大。在本文集《微纳电极阵等离子体微系统》一文中的“四点启示”，对微系统的研究与发展具有普遍指导意义。

丁衡高院士高度重视我国微米纳米技术创新人才培养。他受聘作为清华大学兼职教授、博士生导师二十年整（从1987年至2006年），培养了多名博士研究生和博士后。清华大学评价他“充分运用个人多年的研究成果和实践经验，对学校科研方向的选择、技术攻关的指导和研究生的培养等方面都发挥了很大作用，表现出他具有坚实的学科专业知识、丰富的工程实践经验和高水平的研究能力”。他还是东南大学（1997年）、南京航空航天大学（2004年）、西北工业大学（2006年）、重庆大学（2014年）等学校的名誉教授，上海交通大学微纳科学技术研究院名誉院长（2002年至2010年）,传感技术联合国家重点实验室学术委员会主任（2003年至2008年），新型微纳器件与系统技术国防实验室学术委员会主任（2008年至2015年）。他重视发挥青年科技工作者的作用，鼓励创新，扎实开展原创性基础研究，提出在研究计划中专门设立青年微米纳米研究基金，以年轻博士为支持主体，开展研究工作。他几乎深入我国每个微米纳米技术主要研究机构进行调查研究，发掘人才。在他的鼓励与指导下，一大批年轻的科研工作者锐意创新，脱颖而出，多数已成为我国微米纳米技术研究和产业发展的中坚力量及国家级科技领军人才。

值此开展我国微米纳米技术研究30周年之际，为了充分展示丁衡高院士在我国微米纳米技术发展历程中所做的努力和贡献，传承和发扬他一贯的科学精神、创新思维和严谨作风，中国微米纳米技术学会组织出版《丁衡高院士微米纳米技术文集》。本书整体上按照发展战略研究、科学技术综述、科学技术研究这三类题材，收集了丁衡高院士已公开发表的关于微米纳米技术领域的讲话致辞、学术报告和科技论文共36篇，以飨读者。

中国微米纳米技术学会

2024年6月

内容简介

前言

目录