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

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

讓我們一起走近這項(xiàng)優(yōu)秀創(chuàng)新成果！

項(xiàng)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(xué)儀器技術(shù)

完成單位：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等

完成人：李昕欣 等

獎勵等級：技術(shù)發(fā)明一等獎

與物質(zhì)相關(guān)的科學(xué)分析儀器中的一類為吸附與熱分析儀器，是用變溫實(shí)驗(yàn)來表征分析材料或反應(yīng)相關(guān)的表界面和體內(nèi)結(jié)構(gòu)理化性質(zhì)，是新材料、新能源、催化反應(yīng)和環(huán)境保護(hù)等“雙碳”戰(zhàn)略科技相關(guān)的每個實(shí)驗(yàn)室必備的重要儀器。

該類科學(xué)儀器的高端產(chǎn)品技術(shù)長期以來被美、歐、日這些西方發(fā)達(dá)國家壟斷，不只價格昂貴，還可使我國在相關(guān)科研手段和工具的源頭上被“卡脖子”。并且，該類進(jìn)口儀器目前已很難滿足當(dāng)今尖端科技應(yīng)用的需求，對精細(xì)特性經(jīng)?！皽y不準(zhǔn)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(jié)構(gòu)式的熱天平-加熱爐系統(tǒng)，在程序升溫過程中測量質(zhì)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(zhǔn)甚至測不到很多理化特性參數(shù)值。而經(jīng)過長期改進(jìn)，沿著精密結(jié)構(gòu)改進(jìn)的路已達(dá)極限，需從零到一探尋原始創(chuàng)新技術(shù)來解決。

圖1 李昕欣領(lǐng)獎?wù)掌?

在科技發(fā)展歷史上，芯片技術(shù)無數(shù)次對傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行了顛覆，包括智能手機(jī)等相機(jī)CIS芯片對感光膠片相機(jī)的顛覆等等。這一次，MEMS傳感芯片的研究者再一次實(shí)現(xiàn)了顛覆性創(chuàng)新。中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的李昕欣教授團(tuán)隊(duì)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(jī)械諧振驅(qū)動和頻率檢測元件，實(shí)現(xiàn)了在快速升溫中原位測量化學(xué)反應(yīng)或表面吸附引起的微小質(zhì)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(dá)到了動態(tài)測量作用分子數(shù)的統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)和動力學(xué)過程的水平。有了如此強(qiáng)大的超靈敏原位測量能力，就可以對該類儀器進(jìn)行技術(shù)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(shù)

將傳感芯片的測量方法與物質(zhì)理化特性理論和量化表征方程等有機(jī)結(jié)合，再配以儀器相關(guān)的軟硬件技術(shù)開發(fā)，最終在全球首次實(shí)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(dāng)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(xué)儀器。當(dāng)前的進(jìn)口儀器因?yàn)樵跇悠吩桓緶y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(zhì)譜檢測器在尾氣端進(jìn)行非原位測量，造成經(jīng)?！皽y不準(zhǔn)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(fù)多次升溫實(shí)驗(yàn)后，也只能用描點(diǎn)作圖直線擬合法近似估算，而往往因?yàn)閿?shù)據(jù)點(diǎn)分散造成測不到活化能。本發(fā)明首次實(shí)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(zhǔn)的測準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入經(jīng)典動力學(xué)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(xué)經(jīng)典。

圖3 原位TPD儀對現(xiàn)有非原位TPD儀的科學(xué)和技術(shù)顛覆

圖4 全球首款界面熱力學(xué)和動力學(xué)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(xué)和動力學(xué)整套參數(shù)測量儀。物質(zhì)界表面與分子作用是先進(jìn)材料的常見功能，需要對理化特性進(jìn)行定量表征。但作為理化特性的熱力學(xué)和動力學(xué)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(xué)和動力學(xué)的方法，首創(chuàng)出界面熱力學(xué)/動力學(xué)整套參數(shù)測量儀ITKP，填補(bǔ)了該儀器的全球空白，并使我國在國際率先建立了該項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。

三、使熱分析儀首次實(shí)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(jìn)行顯微表征。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個世界首次：在顯微鏡下對單個微顆粒進(jìn)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(dāng)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(xué)價值。

圖5 TGA將熱重儀換代為顯微表征先進(jìn)儀器，提升了熱分析科學(xué)價值

再好的創(chuàng)新成果，也只有在落地應(yīng)用后才能產(chǎn)生技術(shù)顛覆性。在專利技術(shù)轉(zhuǎn)化和風(fēng)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(shù)在全球首次開拓出該高端儀器的嶄新應(yīng)用方向。短短三年，至今已經(jīng)銷售儀器整機(jī)數(shù)十臺和測量模組2萬套，除了在包括多個院士團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的我國重要科研平臺上推廣應(yīng)用外，國產(chǎn)高端科學(xué)儀器還罕見地反向出口至發(fā)達(dá)國家著名科學(xué)機(jī)構(gòu)，如比利時魯汶大學(xué)和新加坡國立大學(xué)等，儀器以全球領(lǐng)先的技術(shù)水平為眾多用戶產(chǎn)出重要研究成果起到了關(guān)鍵的作用，獲得了國內(nèi)外儀器用戶科學(xué)家的高度評價。

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

一個小小的芯片，改變了這類科學(xué)儀器的命運(yùn)。不只是多臺吸附分析和熱分析儀器各自技術(shù)升級換代了，更有顛覆性意味的是，原來相互完全獨(dú)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。

供稿：李昕欣

原標(biāo)題：《李昕欣：一顆芯片改變了一整類高端科學(xué)儀器的命運(yùn)｜上海市科學(xué)技術(shù)獎》