申强：逐梦MEMS陀螺科技之巅

王艳敏

申强

航展、武器展，哪个展台最能体现一个国家的军事发展水平？问题的答案众说纷纭，说发动机的有，说雷达的也有，但是军事圈有个默认的规则：导航系统先进，则武器一定先进；导航系统落后，武器系统一定臃肿低能。所以，全世界资深军事家观展时有个必看的关键项目，就是：导航仪。导航仪的种类很多，有卫星导航仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪、微机械陀螺仪。其中微机械陀螺作为惯性导航系统的基本核心元件，具有体积小、重量轻、成本低等优点，在国防军事领域有着重要的应用需求。

但当前，基于微机电系统技术（以下简称“MEMS技术”）的高端工业装备以及航空、航海用陀螺几乎全被国外企业垄断，同国际先进水平相比，国内新品研制及技术工艺大约落后5～10年。为打破当前困局、赶超国外先进技术水平，探索MEMS陀螺高精度实现的新方法变成一件迫在眉睫的事情。

为不断提升MEMS传感器性能指标，探索科技发展前沿，西北工业大学机电学院副研究员申强已在MEMS传感器技术领域执着钻研12年，凭着对惯性传感器——微机械陀螺的系统设计分析及其高精密测控电路技术的深刻理解，在这一领域他已收获了诸多可圈可点的创新成果，为提升我国国家安全水平提供了重要的技术保障。

扎根西工大 探索最前沿

申强是土生土长的西安人，也是真正本土培养的MEMS陀螺青年学者，他常说自己很“土”，“土”到除了出差几乎没离开过西安，没离开过西北工业大学（以下简称“西工大”）。

高考时，虽也想过到外面的世界去看看，在志愿上填报了几所外省的学校，但他还是被西工大的提前批次直接录取了。

本以为自己分数很高，入学申强才发现班里不乏全国各地的高考状元。在强者如林的氛围中，对于学业，申强不敢有丝毫懈怠。大三时，这个状元班要进行重新分流，申强被分到了自动化学院，专业为测控技术与仪器，这是西工大的一个特色专业。师从秦永元教授，申强对陀螺的探索从那时开启。

“秦教授是我国惯性导航领域权威，西工大惯性导航专业的发展壮大离不开秦教授所做的贡献。当时老爷子年龄也大了，有幸得到他的指导是非常幸运的事。”提到秦永元教授，申强满是尊敬。“师傅领进门，修行在个人。”在秦教授的指引下，申强逐渐入了门，对所学的东西也越来越感兴趣，为了学到更多知识，申强决定继续深造。

当时机电学院在做微型陀螺，这与申强本科所学有关联，于是他决定报考机电学院的研究生。哪知这一考，申强就再也没离开过机电学院，在这里读完了硕士又接着读博士。

很多人都觉得读博士很辛苦，但申强却没这种感觉。“也许是当时只想把手上的课题做好，辛苦与否根本不在我的考虑范围之内吧。后来有了比较，我突然感觉原来博士期间我付出了很多。”申强笑着说。

5年博士，申强找到了科研的感觉与状态，把手中的研究继续做下去是他当时最强烈的想法。有电子与机械工程的交叉学科背景，还有博士期间的优异表现，导师苑伟政教授对他的工作很认可，于是留校成了申强自然而然的选择。

申强清楚，在高校开展的研究只是万里长征才刚刚迈出第一步，最后成果能落地应用真正回馈到工业部门、回馈到社会，才能证明自己工作的价值。“把手中的事情继续做下去并做好”，坚守这个信念，申强信心满怀走上工作岗位。

“青椒”初长成“土博士”也有春天

因从没离开过西工大这个平台，所以很多“青椒”（网络语言，对青年教师的称呼）遇到的在新环境的适应问题，申强并没遇到过。因为有学校、学院、导师苑伟政教授、副导师常洪龙教授的帮助，申强的工作开展得很顺利，对很多“青椒”在论坛或者是公共平台上写的一些感受,他并没有太多感觉。至于那些会分散人精力的培训、考核，申强也是用平常心对待。“我觉得无非就是一些考核，一关关过就行了。”申强说。心态好加踏实干，工作3年多，凭借出色表现，申强不仅通过了职称考核，还成为了硕士生导师。

2019年11月，申强被评为2020年度陕西省“青年科技新星”，得知这个消息，申强很高兴，因为作为一个本土培养的“土博士”能在强手如林的环境中脱颖而出实属不易，这证明了在“洋博士”更受青睐的当下，“土博士”是有生存空间的。“我当时觉得能出学校就已经很不错了，因为只西工大报的人就很多，竞争十分激烈。先出学院再出学校，再走向全省，谁也不敢保证能最后胜出。我个人的经历说明，只要真真正正去努力，好像结果都不差。” 申强笑着说。

留校时申强目标很明确，要将自己所做的微机械陀螺实现产业化，目标说出来简单，但真正落实的过程却很曲折。

做微机械陀螺涉及多学科交叉，包括电子、控制、微电子、封装、制造，涵盖很多领域的知识。涉及的知识面多了，遇到的困难也会很多。不仅协调各领域优质资源是个挑战，作为一个“青椒”本身也会面临很多问题，比如经费、人员等，但导师苑伟政教授、副导师常洪龙教授不遗余力的支持，帮助申强解决了这些问题。

留校工作后，申强在实验室工作的时间比以前更长了，晚上加班到很晚是常有之事。师弟曾开玩笑：“你跟读博士没啥区别，除了领工资。”

他承担的国家自然科学基金青年项目“硅微机械陀螺片上旋转调制高精度实现方法”已经于2020年结题。“项目推进过程中也会有棘手的问题，但经过5年博士训练，我有足够的心理准备遇到问题不会慌，用科学的思考、科学的方式，我们可以把问题解决好。另外，有平台、团队的助力，有大家的密切配合和相互协作，交叉学科的很多问题都迎刃而解了。”申强说。

申强介绍，微机械陀螺作为惯性导航系统的基本核心元器件，具有体积小、重量轻、成本低等特点，在高端工业及航空装备、深空探测、深地勘探等国家战略领域有着重要的应用需求。基于MEMS技术的固态波动陀螺因其全对称结构特征以及潜在的高精度等优势成为国际研究热点。然而，在当前现有MEMS固态波动陀螺悬浮可动结构单柱支撑、全对称工艺修调、极弱电容转I/V测控等技术对陀螺性能具有有限提升幅度的情况下，如何释放突破固态波动原理对提升陀螺精度及环境动态响应能力的潜力却成为制约其发展的技术瓶颈。

为破解难题不断提升陀螺精度，申强在项目中进行了持续攻关，并首次提出一种基于MEMS技术的片上全谐振式声光耦合固态波动陀螺高精度敏感机理实现新方法。理论分析表明，谐振式声光耦合陀螺精度优于0.01°/h，结构尺寸仅为2mm×2mm×0.4mm，使得芯片级谐振式声光耦合固态波动陀螺突破现有MEMS固态波动陀螺的精度及环境动态响应能力成为可能。通过查阅公开文献报道可知，该方法在国内外尚属首次，这对于探索微纳尺度下MEMS固态波动陀螺高精度实现兼具良好的动态响应能力具有重要的战略意义，是一项基础性、创新性、前沿性极强的研究。目前，这一原创方法已得到业内专家们的认可，这让申强很受鼓舞，因为他离将微机械陀螺实现产业化的目标越来越近了。

此外，由他负责的国家重点研发计划子课题“微惯性传感器及其接口控制电路设计研究”也在进行中。通过此课题，申强想做国产的设计平台。“这是系统性很强的一件事，挑战很大，好在之前我有系统分析的基础，还拿过中国机械工程学会上银优秀博士论文奖。作为之前工作的延续，目前项目的攻关还没有遇到太多的问题，但在产业化过程中一定会有很多问题。遇山开山，遇水架桥，投入时间精力，用科学的思路解决问题，即使过程曲折，结果也不会差。”申强说。

未来可期 不负韶华

“我们的微/纳米系统实验室是正儿八经白手起家的，1992年苑老师从法国回来后一手创办了实验室，当时国内谁听说过微机电系统啊！”说起自己所在的团队，申强很自豪。

由于微机电系统研究在国内的起步较晚，所以很长一段时间，从实验室毕业的学生就业常常遇冷，因为招聘单位不清楚这个研究方向到底是干什么的。在苑老师的带领下，大家合力开拓创新，实验室逐渐成长壮大，成为面向全国开放的微机电系统研究和人才培养的重要基地，毕业生由当初的遇冷变得非常抢手。“埋头所在领域去做专业的事情，并始终如一地做下去，有一天你会突然发现，自己变得强大了。我们的实验室就是这样。”申强说。

近10年，实验室获得3项国家大奖，“飞行器流动测控灵巧蒙皮技术”获2010年度国家技术发明奖二等奖；“微机电系统的泛结构化设计方法与技术”获2011年度国家技术发明奖二等奖；“航空航天特种MEMS制造技术及其应用”获2019年度国家技术发明奖二等奖。除此，“高精度硅微机械陀螺及其工程化技术”还获得2018年陕西省科学技术奖一等奖。拿到这些奖，大家很高兴，苑老师更高兴，因为多年的投入终于获得了认可，更重要的是通过项目培养了一批能打“硬仗”的学生。

申强就是通过这些项目锻炼起来的，目前他研制的高精度硅微机械陀螺工程样机及系统已在空空导弹、“北斗”导航、空天飞机、新型战机、舰艇测试等多个重大项目中实现了工程应用。看到学生的成长，老师很欣慰，尽管现在申强已独立走上工作岗位，但是他的每一次进步，老师都看在眼里。最近，常洪龙教授打来电话说，申强写材料的文笔越来越好了，思路越来越清晰了。申强说，老师的督促和鼓励，让他受用终生。

现在申强也有了自己的学生，虽然搞研究时他很严肃，但在学生面前他完全是另外一副样子，正因如此学生们都管他叫哥。聊天时，他会跟学生聊各种各样的问题；做研究，他给学生充分的自由，只要求两点：第一态度，第二努力去做。当看到一个个学生从混乱的科研“小白”变得越来越有条理、越来越有逻辑时，他心里由衷地高兴，他体会到了苑老师、常老师看到自己进步时的那种欣慰。他希望带着学生们一起进步。

新冠肺炎疫情期间，学校虽然没有安排什么事，但申强却为自己安排了好多工作，每天都会在实验室待很长时间。他说：“在高校，我还是一个‘青椒’，又是课题组一个非常重要的成员，就该去舍弃一些休息时间，多做一些事，在人生的这个阶段，就应该这样。”

申强喜欢骑行，从西工大老校区到秦岭30多公里，骑行过去是一段非常舒服的距离，每次他都喜欢骑到秦岭顶上的著名景点“分水岭”去看看，在这里，秦岭南边的水流到长江，北边的水流到黄河。看到这样的风景，申强很有感触，他说：“到达山顶，要一脚一脚把车蹬上去，搞科研也如此，要一步步来，不失去斗志，保持积极的心态，顺应大势，未来总不会太差。”