清華大學尤政院士團隊：智能微系統技術的研究成果與應用前景

國之重器·國家重點實驗室系列專題

中美科技競爭是一場交織著技術、產業、經濟、政治和全球博弈等多重複雜和綜合因素的地緣政治衝突，是中美高科技近50年來競合和博弈的必然結果，其根源是在互通互聯、全球化浪潮下，技術變革和創新驅動導致的產業競爭優勢轉移。

國之重器，為國為民。國家重點實驗室是國家科技創新體系的重要組成部分，代表著我國最高精尖的科學技術研究，也是聚集和培養優秀科學家的重要科技創新基地。創壹智庫（Tronedu）將深入探訪各領域國家重點實驗室，陸續推出「國之重器·國家重點實驗室」系列專題。敬請關注！

引 言

人造地球衛星，一般亦可稱為衛星，是在空間軌道上環繞地球運行的無人太空飛行器，是一種在空間執行特定複雜任務的高端儀器。衛星技術與航天科技匯聚了人類最尖端與最前沿的先進技術與成果，尤其是體積小、重量輕的微納衛星。2004年4月18日23時59分，西昌衛星發射中心的「長徵二號丙」運載火箭順利升空，在11分30秒之後成功地將「納星一號」（NS-1）納型衛星送入預定軌道，這是我國自主研製並成功運行的第一顆納型衛星。

鮮為人知的是，時年41歲的尤政教授正是這顆當時世界上在軌飛行的最小輪控三軸穩定衛星的總設計師。

本期「國之重器·國家重點實驗室」，創壹智庫專訪精密測試技術及儀器國家重點實驗室（清華大學）尤政院士領銜的智能微系統團隊，探究先進的精密測試技術及儀器研究成果將會帶來什麼樣的應用前景。

實驗室奠基人

金國藩 教授 中國工程院院士

我國光學信息處理的奠基人之一、「計算全息」與「二元光學」研究的開拓者和「數字體全息光學存儲和識別技術」研究的引領者，也是將「光學信息處理」課程全面引入到國內的第一人，光學儀器領域的著名科學家，培養了我國第一名光學工程博士。曾任清華大學精密儀器系主任，清華大學機械工程學院院長，國家自然科學基金委員會副主任，中國儀器儀表學會、中國光學工程學會名譽理事長等。分別於1990年、1991年和1997年當選為美國光學學會（OSA）、國際光學工程學會（SPIE）、中美光電子學會資深會員。1994年當選為中國工程院院士。2002當選為世界光學學會（ICO）副主席。

實驗室帶頭人

尤政 教授 中國工程院院士

博士、教授、博士生導師、中國工程院院士，現任清華大學副校長。1992年獲國務院學位委員會、教育部授予的「做出突出貢獻的中國博士學位獲得者」稱號；1999年受聘教育部「長江學者獎勵計劃」特聘教授，並享受國務院特殊津貼；1998-2000年在英國薩裡大學空間中心做高級訪問教授；2005年獲人事部授予的「全國優秀博士後」稱號併入選國家「新世紀百千萬人才工程」；2013年當選為中國工程院院士。目前擔任中國微米納米技術學會理事長、中國儀器儀表學會理事長，中國機械工程學會副理事長，國務院學位委員會儀器科學與技術學科評議組召集人，國家製造強國建設戰略諮詢委員會委員，國家科技部對地觀測與導航領域專家組成員，國家工信部工業強基專家組副組長、智能製造標準化專家諮詢組組長等。主要學術方向為微米納米技術、智能微系統技術及其應用，在我國率先開展了微機電系統（MEMS）、微系統技術及其在高端裝備中的應用研究，以及微納太空飛行器的技術創新與工程實踐。

以下內容根據創壹智庫（Tronedu）專訪尤政院士團隊整理。

一、「四兩撥千斤」的儀器技術

工業是立國之本，強國之基。工業和信息化部部長苗圩曾指出，經過70年的發展，目前我國已經擁有41個工業大類、207個工業中類、666個工業小類，形成了獨立完整的現代工業體系，是全世界唯一擁有聯合國產業分類當中全部工業門類的國家。

黨的十九大報告提出，「加快建設製造強國，加快發展先進位造業」。如何推進中國製造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、製造大國向製造強國轉變，是擺在我們面前的時代使命。

有統計數據顯示，世界上諾貝爾獎中，72%的物理學獎、81%的化學獎、95%的生理學或醫學獎都是藉助於相關尖端儀器完成的。美國國家標準與技術研究院（NIST）的分析報告曾指出：「美國國內儀器產值僅佔工業總產值的4%，但對國民生產總值（GNP)的拉動作用則達到了66% 」。

儀器技術可謂發揮了「四兩撥千斤」的關鍵性作用。

「儀器儀表產業是國民經濟和科學技術發展『卡脖子』的產業」、「儀器儀表是工業生產的『倍增器』，科學研究的『先行官』，軍事上的『戰鬥力』和社會生活中的『物化法官』」、「中國科學技術要像蛟龍一樣騰飛，這條蛟龍的頭是信息技術，儀器儀表則是蛟龍的眼睛，要畫龍點睛！」

這些形象又生動的比喻，是應用光學專家王大珩院士為強調儀器儀表在當今社會所具有重要作用和地位而提出的名言。

曾經負責過科技部重大科學儀器項目的金國藩院士指出，目前我國只能生產中低檔的儀器，高端儀器都是購買國外的。近年來，我國每年購買科學儀器的花費就超過400億元。「我們的儀器達不到高端的要求，主要還是穩定性、可靠性較差，這其中與計量的關係很大。」

作為信息科學技術的源頭，測控技術與儀器專業是機械、電子/微電子、光學、材料、自動控制、信號處理、計算機等多學科互相滲透而形成的一門高新技術密集型綜合學科。它的應用領域極廣，從傳感器設計製造，到工業自動化控制、火箭飛彈衛星的發射及監控、深海探測、航空航天等領域，測控技術與儀器都不可或缺。

二、「換道超車」的時代機遇

幸運的是，一個「換道超車」的時代機遇擺在了我們面前。

2019年新的國際單位制修訂，推動計量技術邁入全面量子化的新時代，使得任意時刻、任意地點、任意主體根據定義復現計量單位成為可能，大幅度提高了測量結果精度和長期穩定性，為新一輪的科技革命和產業變革提供了重要支撐。

具體來說，國際單位制7個基本單位中的4個，即千克、安培、開爾文和摩爾將分別改由普朗克常數、基本電荷常數、玻爾茲曼常數和阿伏伽德羅常數來定義；另外3個基本單位在定義的表述上也做了相應調整，以與此次修訂的4個基本單位相一致。

這將引發儀器儀表領域的顛覆性創新發展。

國際計量單位制實現量子化，新的測量原理、測量方法和測量儀器孕育而生，集多參量、高精度為一體的晶片級綜合測量，不受環境幹擾無需校準的實時測量，眾多物理量、化學量和生物量的極限測量等技術均成為可能，進而催生測量儀器儀表形態的全面創新。

「這是200年來，中國工業基礎技術第一次跟發達國家站在一個起跑線上。」尤政院士犀利地指出，「中國的工業化時間比較短，儘管我們一直奮力追趕，但是與發達國家長期積累相比還是差距較大，尤其是在測試、計量等工業基礎方面。國際單位制實現量子化後，各行各業的測試計量標準都面臨著重新修訂，新的測量技術將應運而生，大家將重新回到了同一個起跑線上展開競爭。」

三、智能微系統團隊的研究成果與應用前景

尤政院士帶領的精密測試技術及儀器國家重點實驗室(清華大學)智能微系統團隊，圍繞尖端科技前沿與國家戰略需求布局，聚焦世界科技發展的新發現、新理論和新技術交叉融合，以MEMS技術、微系統技術的理論、設計、製造、集成為基礎，面向航天、國防、能源、醫療等國家戰略領域面臨的測量儀器微型化、集成化、智能化等實際需求，在微納衛星及空間微系統、先進空間光學姿態敏感器、微納能源器件及微能源系統、高端MEMS器件與集成微系統等技術方向重點開展前沿科學問題、核心關鍵技術及工程實踐方法的創新研究。

★ 研究成果一 ★

「微納衛星及空間微系統技術」

微納衛星的出現是航天領域內的一場技術革命。微納衛星相對於傳統衛星具有尺寸小、重量輕、開發周期短、研製成本低、技術更新快、靈活機動性好、生存能力強等優勢，在對地觀測/遙感、天基通信、新技術試驗、空間科學探索、航天工程教育等方面應用廣闊，也是各國航天裝備體系建設的重要方向之一。

尤政院士作為總設計師帶領智能微系統團隊完成了「NS-1」以及「TH-1」、「NS-2」等多顆納型衛星的研製，在國內首倡並長期致力於以MEMS技術為代表的微系統技術在空間的應用研究，研製了一系列具有國際先進水平的微型化、高性能空間微系統器/組件並成功實現了在軌應用；同時，在我國率先開展了微衛星技術創新與工程實踐，為我國空間微系統與微納衛星的科技進步做出了重要貢獻。

團隊針對微納衛星未來高可靠、快速響應、多星組網等應用需求，提出以MEMS器件應用為核心，從衛星設計製造、空間微型化功能器件研製及一體化高性能應用三個層次開展研究，形成了以MEMS技術為基礎的納型衛星相關新方法、新技術、新產品和新應用，並研製了高性能MEMS技術試驗衛星。團隊提出了「高可靠集中式最小系統」和「一體化高性能擴展系統」相結合的衛星體系框架，保證了MEMS技術試驗衛星在軌有效工作和高性能任務的完成；發明了一系列基於MEMS技術的典型空間應用的功能器/組件，有效減小了衛星的體積與功耗，提高了衛星性能；發明了微型化、低功耗、高精度星敏感器及空間多目標一體化感知測量系統，發明了高分辨遙感相機與星敏感器的同時星空成像與一體化識別標定方法，在軌驗證了遙感成像系統亞秒級自標定和角秒級互標定，提高了成像精度和標定自主性。

高性能MEMS技術試驗衛星、微型化功能器件的成功研製、飛行試驗及相關技術推廣應用，對於我國航天同類產品的更新換代具有重要意義，對於MEMS技術的航天應用起到了積極的促進作用。

△ 圖：尤政院士團隊「微納衛星及空間微系統技術研發重要歷程」，來源：受訪者供圖

△ 圖左、圖中：尤政院士領銜「空間微系統及納型衛星」、「先進MEMS衛星設計製造關鍵技術及應用」項目分別榮獲國家科技進步二等獎、國家技術發明獎二等獎；圖右：尤政院士出版的《空間微系統與微納衛星》榮獲第四屆中國出版政府獎，來源：受訪者供圖

★ 研究成果二 ★

「先進空間光學姿態敏感器技術」

姿態測量與控制是太空飛行器賴以生存和性能提升的保障，已成為制約航天領域技術進步的重要瓶頸。空間光學姿態敏感器具有測量精度高、無漂移、工作壽命長等特點，是太空飛行器的基礎性、關鍵性部件，在對地遙感、深空探測、空間攻防等航天應用中具有重要的戰略意義。

團隊在空間光學姿態敏感器技術領域開展了系統深入的研究，在新原理、新方法、新技術等方面提出 5項核心發明，在系統集成方面有4項重要創新，有針對性地突破了各項技術瓶頸，推動了光學姿態敏感器技術的發展。團隊通過研究形成了以「太陽敏感器」、「星敏感器」為典型代表的微型化高性能空間光學姿態敏感器件及集成系統的基本原理、設計與標定測試方法體系，研製了滿足不同類型太空飛行器、各種空間任務需求的新型光學姿態敏感器產品系列。團隊發明了空間多目標一體化感知測量系統，為解決我國首顆繞月編隊超長基線測量提供了核心保障；發明了一種高分辨遙感相機與星敏感器的同時星空成像與一體化識別標定方法，在軌驗證了遙感成像系統亞秒級自標定和角秒級互標定，提高了成像精度和標定自主性。

近年來，團隊在研究成果的技術轉化、專利轉讓和批量化應用取得了重大突破。部分核心專利已經在中科院長春光機所、北京天銀星際公司等單位實現了專利轉讓與成果轉化。相關成果已經在吉林一號衛星星座、珠海一號衛星星座等100餘顆商業衛星以及探月工程、高分專項等10餘顆國家重大任務衛星上進行了批量化應用；並推廣到歐洲小行星探測衛星、美國全球臭氧探測衛星、日本冰川變化監測衛星、英國的低軌遙感通信平臺等應用。在二十年的研究過程中，團隊形成了一條從高校原始創新，到技術成果轉化，再到航天應用的特色鮮明的研究路線。

△ 圖左：尤政院士領銜的「先進空間光學姿態敏感器技術」 項目榮獲國家技術發明獎二等獎；圖右：相關技術成果在多顆國家重大任務衛星上批量化應用，並實現出口歐美日等航天強國，來源：受訪者供圖

★ 研究成果三 ★

「微納能源器件及微能源系統技術」

微型化、集成化、智能化是各類儀器儀表及電子產品的主要發展趨勢，現有電源體積大、功率低、壽命短、可靠性差，嚴重製約著智能微系統技術的發展。具有小體積、長壽命、高效能的微能源器件與微能源系統技術已成為亟待突破的關鍵技術，是新一代能源技術的標誌性技術和重要發展方向。

微能源器件指採用微納米技術與微加工等手段實現的能量的高效獲取與轉換、存儲與釋放的微納器件，由於器件整體或局部尺寸的微小化導致了機制與特性表現出不同於傳統能源器件的特殊微尺度效應。微能源系統是指集成多種微能源器件，集多種能量獲取與轉換、存儲與釋放功能於一體、且具有自主管理功能的微系統，特別適用於傳統常規電源難以應用的眾多特殊場景。

二十年來，團隊始終以儀器儀表、電子信息、交通能源以及各類產業的迫切需求為目標，將國家重大需求和前沿基礎研究密切結合，在基於微納米材料及微納米加工技術的微能源器件與系統領域，進行了長期系統深入的基礎研究、技術創新與研發應用。團隊提出了基於微納加工技術的微小型超級電容器研發新思路，完成了三維結構微器件的機制闡釋與設計加工，發明了基於贗電容儲能的多元金屬電極製備方法，研製了系列化微小型超級電容器，電壓1V到20V，容量1mF到1F，儲能密度比國外同類產品先進水平提高10倍以上，瞬間抗過載能力超過10萬g，相關成果獲教育部技術發明二等獎，中國儀器儀表科學技術一等獎。

團隊突破了基於微納米材料的超級電容器加工關鍵技術，完成了容量為1F至5000F全系列的超級電容器研製和規模化生產，實現了高達1200V電源系統的可靠集成與精確控制，研究成果在武器裝備、電動車輛、電力系統等領域獲得成功應用並創造了顯著的經濟效益，「基於微納米技術的新型超級電容器及其實現」，獲國家技術發明二等獎。

團隊開展了基於多種環境能量收集與利用的微能源系統研究，提出了太陽能、振動能、海洋波浪能、人體運動等多種不規則能量的高效收集與存儲方法，實現了低頻環境能量的低功耗、高效率、自適應管理，研製出系列微能源系統樣機，成果相繼發表在多種高水平學術期刊上。

微納能源器件及微能源技術的成功與突破，將有力解決智能微系統、物聯網節點、微小型儀器儀表、可穿戴電子等面臨的眾多共性關鍵瓶頸技術，對提升性能、減小體積、降低成本、提升智能化水平具有重要的現實意義。

圖左：「基於微納米技術的新型超級電容器及其實現」獲國家技術發明二等獎；圖右：團隊微能源器件及微能源系統研究成果，來源：受訪者供圖

★ 研究成果四 ★

「高端MEMS器件與集成微系統技術」

MEMS技術是人類在科技進步方面跨上的又一個新臺階。MEMS技術來源於微電子技術，可將機械結構與電路系統同時製作在晶片上。經過多年快速發展，MEMS技術的學科獨立性與系統性逐步成型，可在晶片上製作微傳感器、微執行器以及微能源等，從而成為了微系統技術的典型代表。高端MEMS器件與集成微系統技術的重大突破可在微觀尺度上實現多類信息的獲取，是精密測試技術及儀器的關鍵使能技術與重要支撐技術，將對國防安全、國民經濟與人民生活產生深遠影響。

團隊在高端MEMS器件與集成微系統方向上深耕20餘年，在國內最早從事基於微系統的精密檢測技術研究，有著堅實的技術基礎，具有顯著的優勢地位。團隊始終圍繞特殊場景、極端條件下高端MEMS器件與集成微系統，以及便攜/穿戴/植入式健康監測微系統等方面開展創新研究，總體技術水平達到國際先進，其中多項核心技術屬國際首創。

團隊解決了一系列高端MEMS器件加工的難題，創建了可擴展的高端MEMS加工平臺，「面向典型器件的體矽MEMS加工平臺及其應用」獲高等學校科學研究優秀成果獎技術發明獎一等獎；超高過載自供電MEMS傳感器及集成微系統在國內首次通過實測驗證，填補國內空白，相關技術被國內多家重點單位應用並產業化，已列入型譜系列；在細胞分選檢測、生物分子檢測、人工聽覺微系統、表面等離子體共振檢測等方向突破了高通量細胞圖形化、片上細胞聚焦分選、耳蝸內聲電混合刺激等一批具有自主智慧財產權的關鍵技術，取得了一批原創性成果，研製了具有世界一流水平的高通量原位細胞多模式檢測系統、流式細胞儀等檢測儀器，打破了相關領域國際廠商的技術封鎖和壟斷。

△ 圖：高端MEMS加工平臺，來源：受訪者供圖

△ 圖左：「面向典型器件的體矽MEMS加工平臺及其應用」獲高等學校科學研究優秀成果獎技術發明獎一等獎；圖右：團隊MEMS器件與集成微系統科研成果，來源：受訪者供圖

尤政院士指出，「微系統產業的最大驅動力之一，就是物聯網產業。」在全世界物聯網成功的案例裡，傳感器都起了決定性的作用，比如環境監測、智能家居、智慧樓宇等等各種各樣遠程的工作，都是建立在傳感器的基礎上。而傳感器又是最典型的微系統，因此要把物聯網作為一個整體來進行統一的開發，把傳感器與微系統技術作為物聯網的基礎加以共識。此外，微系統在醫療行業、手機行業和汽車電子行業的應用都是推動產業發展的驅動力所在。

近年來，世界各發達國家都對MEMS、微系統技術的研發和產業應用投入巨大支持，我國更是將其發展上升到國家戰略高度。「當前我國正在進行MEMS及微系統相關產業的布局，產業發展處於爆發的前夜。」尤政院士樂觀地預判。

從NS-1高性能MEMS技術試驗衛星等高精尖微型太空飛行器，到微納生物晶片等現代精準醫療手段；從TB量級超高密度體全息存儲技術，到高精度原子鐘用於北鬥導航系統的精確授時，精密測試技術及儀器國家重點實驗室（清華大學）的科學研究領域不僅覆蓋了信息、航天、環保、國防等國家重大戰略領域，同時跨越生命科學儀器、健康醫療監測、智能穿戴設備、新能源、新材料等技術領域，在科技創新快速發展和人類迎來先進位造4.0的新時代發揮著越來越重要的作用。

國之重器，為國為民。國家重點實驗室是國家科技創新體系的重要組成部分，代表著我國最高精尖的科學技術研究，也是聚集和培養優秀科學家的重要科技創新基地。創壹智庫（Tronedu）將深入探訪各領域國家重點實驗室，陸續推出「國之重器·國家重點實驗室」系列專題。敬請關注！

實驗室簡介

精密測試技術及儀器國家重點實驗室是1990年經國家計委批准、利用世行貸款、由清華大學與天津大學聯合組建的國家重點實驗室。1995年實驗室建成並通過主管部門驗收，同時正式對外開放。目前實驗室的學科領域涵蓋了「儀器科學與技術」（兩校）和「光學工程」（清華）兩個國家一級重點學科，主攻四大研究方向：雷射及光電測試技術、微納測試與製造技術、傳感及測量信息技術、製造質量控制技術，分為清華大學實驗區和天津大學實驗區。

清華大學實驗區的研究人員以清華大學精密儀器系光電工程研究所和儀器科學與技術研究所的教師與科研隊伍為基本組成。研究隊伍中包括中國工程院院士2人，國家傑出青年基金獲得者2人。

實驗室所獲榮譽：

◇ 1998年教育部所屬國家重點實驗室評估，被科技部評為「成績顯著的開放實驗室」

◇ 2002年信息類國家重點實驗室評估，在參評的36個實驗室中排名第七

◇ 2007年信息類國家重點實驗室評估，實驗室被評為優秀（A類第1名）

◇ 2012年信息類國家重點實驗室評估，實驗室被評為優秀

◇ 2017年信息類國家重點實驗室評估，實驗室被評為優秀

在最近一個評估周期（2012-2016年）中，實驗室作為第一完成單位獲得國家技術發明二等獎 2 項。同時，作為第一完成單位還獲得省部級科技一等獎 10 項、二等獎 2 項、其它 5 項；承擔國家重大重點科研任務400餘項，其中國家 973 項目和課題17項，國家863項目11項，國家重大科技專項（含國家重點研發專項）29項，國家自然科學基金項目147項，專項項目265項；出版精密測試技術及儀器學科專著和教材16本，其中包括國外出版1本；獲得授權發明專利429項，其中國際(境外)專利49項，申請發明專利135 項;發表研究論文1223篇。

參考資料

1、方興東、杜磊，《人民論壇·學術前沿》，中美科技競爭的未來趨勢研究——全球科技創新驅動下的產業優勢轉移、衝突與再平衡，2019年12月（下）

2、史玉成，中國質量報，重磅！今天開始，我國迎來強國建設重大機遇！（附院士講解獨家視頻），https://mp.weixin.qq.com/s/XXiSRNWDt5ziFWUWVsb5qw，2019-05-20

3、尤政：要將傳感器作為物聯網的基礎加以共識，經濟日報-中國經濟網，http://www.ce.cn/culture/gd/201809/15/t20180915_30310252.shtml，2018-9-15

4、王靜，科學時報，為中國科技「畫龍點睛」，金國藩院士談王大珩推動中國儀器科學發展，2011-07-22（A2）

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受訪者 | 精密測試技術及儀器國家重點實驗室清華大學分室尤政院士團隊

審讀 | 趙嘉昊博士，清華大學精密儀器系副研究員

作者 | 創壹智庫（Tronedu）

聲明 | 本文系創壹智庫原創內容，轉載及合作請聯繫創壹智庫（Tronedu） 。