10月23日，上海市科學(xué)技術(shù)獎再度揭曉。胸懷“國之大者”，堅持“四個面向”，一大批標志性成果競相涌現(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(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，是用變溫實驗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)境保護等“雙碳”戰(zhàn)略科技相關(guān)的每個實驗室必備的重要儀器。

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，該類進口儀器目前已很難滿足當今尖端科技應(yīng)用的需求，對精細特性經(jīng)常“測不準甚至測不到”。原因是該類儀器測量分析核心部分釆用精密結(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(jié)構(gòu)改進的路已達極限，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(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)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(qū)動和頻率檢測元件，實現(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，首次達到了動態(tài)測量作用分子數(shù)的統(tǒng)計熱力學(xué)和動力學(xué)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(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。