国之重器·国家重点实验室系列专题
中美科技竞争是一场交织着技术、产业、经济、政治和全球博弈等多重复杂和综合因素的地缘政治冲突，是中美高科技近50年来竞合和博弈的必然结果，其根源是在互通互联、全球化浪潮下，技术变革和创新驱动导致的产业竞争优势转移。
国之重器，为国为民。国家重点实验室是国家科技创新体系的重要组成部分，代表着我国最高精尖的科学技术研究，也是聚集和培养优秀科学家的重要科技创新基地。创壹智库（Tronedu）将深入探访各领域国家重点实验室，陆续推出“国之重器·国家重点实验室”系列专题。敬请关注！
引 言
人造地球卫星，一般亦可称为卫星，是在空间轨道上环绕地球运行的无人航天器，是一种在空间执行特定复杂任务的高端仪器。卫星技术与航天科技汇聚了人类最尖端与最前沿的先进技术与成果，尤其是体积小、重量轻的微纳卫星。2004年4月18日23时59分，西昌卫星发射中心的“长征二号丙”运载火箭顺利升空，在11分30秒之后成功地将“纳星一号”（NS-1）纳型卫星送入预定轨道，这是我国自主研制并成功运行的第一颗纳型卫星。
鲜为人知的是，时年41岁的尤政教授正是这颗当时世界上在轨飞行的最小轮控三轴稳定卫星的总设计师。
本期“国之重器·国家重点实验室”，创壹智库专访精密测试技术及仪器国家重点实验室（清华大学）尤政院士领衔的智能微系统团队，探究先进的精密测试技术及仪器研究成果将会带来什么样的应用前景。
实验室奠基人
金国藩 教授 中国工程院院士
我国光学信息处理的奠基人之一、“计算全息”与“二元光学”研究的开拓者和“数字体全息光学存储和识别技术”研究的引领者，也是将“光学信息处理”课程全面引入到国内的第一人，光学仪器领域的著名科学家，培养了我国第一名光学工程博士。曾任清华大学精密仪器系主任，清华大学机械工程学院院长，国家自然科学基金委员会副主任，中国仪器仪表学会、中国光学工程学会名誉理事长等。分别于1990年、1991年和1997年当选为美国光学学会（OSA）、国际光学工程学会（SPIE）、中美光电子学会资深会员。1994年当选为中国工程院院士。2002当选为世界光学学会（ICO）副主席。
实验室带头人
尤政 教授 中国工程院院士
博士、教授、博士生导师、中国工程院院士，现任清华大学副校长。1992年获国务院学位委员会、教育部授予的“做出突出贡献的中国博士学位获得者”称号；1999年受聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，并享受国务院特殊津贴；1998-2000年在英国萨里大学空间中心做高级访问教授；2005年获人事部授予的“全国优秀博士后”称号并入选国家“新世纪百千万人才工程”；2013年当选为中国工程院院士。目前担任中国微米纳米技术学会理事长、中国仪器仪表学会理事长，中国机械工程学会副理事长，国务院学位委员会仪器科学与技术学科评议组召集人，国家制造强国建设战略咨询委员会委员，国家科技部对地观测与导航领域专家组成员，国家工信部工业强基专家组副组长、智能制造标准化专家咨询组组长等。主要学术方向为微米纳米技术、智能微系统技术及其应用，在我国率先开展了微机电系统（MEMS）、微系统技术及其在高端装备中的应用研究，以及微纳航天器的技术创新与工程实践。
以下内容根据创壹智库（Tronedu）专访尤政院士团队整理。
一、“四两拨千斤”的仪器技术
工业是立国之本，强国之基。工业和信息化部部长苗圩曾指出，经过70年的发展，目前我国已经拥有41个工业大类、207个工业中类、666个工业小类，形成了独立完整的现代工业体系，是全世界唯一拥有联合国产业分类当中全部工业门类的国家。
*党**的十九大报告提出，“加快建设制造强国，加快发展先进制造业”。如何推进中国制造向中国创造转变、中国速度向中国质量转变、制造大国向制造强国转变，是摆在我们面前的时代使命。
有统计数据显示，世界上诺贝尔奖中，72%的物理学奖、81%的化学奖、95%的生理学或医学奖都是借助于相关尖端仪器完成的。美国国家标准与技术研究院（NIST）的分析报告曾指出：“美国国内仪器产值仅占工业总产值的4%，但对国民生产总值（GNP)的拉动作用则达到了66% ”。
仪器技术可谓发挥了“四两拨千斤”的关键性作用。
“仪器仪表产业是国民经济和科学技术发展‘卡脖子’的产业”、“仪器仪表是工业生产的‘倍增器’，科学研究的‘先行官’，军事上的‘战斗力’和社会生活中的‘物化法官’”、“中国科学技术要像蛟龙一样腾飞，这条蛟龙的头是信息技术，仪器仪表则是蛟龙的眼睛，要画龙点睛！”
这些形象又生动的比喻，是应用光学专家王大珩院士为强调仪器仪表在当今社会所具有重要作用和地位而提出的名言。
曾经负责过科技部重大科学仪器项目的金国藩院士指出，目前我国只能生产中低档的仪器，高端仪器都是购买国外的。近年来，我国每年购买科学仪器的花费就超过400亿元。“我们的仪器达不到高端的要求，主要还是稳定性、可靠性较差，这其中与计量的关系很大。”
作为信息科学技术的源头，测控技术与仪器专业是机械、电子/微电子、光学、材料、自动控制、信号处理、计算机等多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。它的应用领域极广，从传感器设计制造，到工业自动化控制、火箭导弹卫星的发射及监控、深海探测、航空航天等领域，测控技术与仪器都不可或缺。
二、“换道超车”的时代机遇
幸运的是，一个“换道超车”的时代机遇摆在了我们面前。
2019年新的国际单位制修订，推动计量技术迈入全面量子化的新时代，使得任意时刻、任意地点、任意主体根据定义复现计量单位成为可能，大幅度提高了测量结果精度和长期稳定性，为新一轮的科技革命和产业变革提供了重要支撑。
具体来说，国际单位制7个基本单位中的4个，即千克、安培、开尔文和摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数来定义；另外3个基本单位在定义的表述上也做了相应调整，以与此次修订的4个基本单位相一致。
这将引发仪器仪表领域的颠覆性创新发展。
国际计量单位制实现量子化，新的测量原理、测量方法和测量仪器孕育而生，集多参量、高精度为一体的芯片级综合测量，不受环境干扰无需校准的实时测量，众多物理量、化学量和生物量的极限测量等技术均成为可能，进而催生测量仪器仪表形态的全面创新。
“这是200年来，中国工业基础技术第一次跟发达国家站在一个起跑线上。”尤政院士犀利地指出，“中国的工业化时间比较短，尽管我们一直奋力追赶，但是与发达国家长期积累相比还是差距较大，尤其是在测试、计量等工业基础方面。国际单位制实现量子化后，各行各业的测试计量标准都面临着重新修订，新的测量技术将应运而生，大家将重新回到了同一个起跑线上展开竞争。”
三、智能微系统团队的研究成果与应用前景
尤政院士带领的精密测试技术及仪器国家重点实验室(清华大学)智能微系统团队，围绕尖端科技前沿与国家战略需求布局，聚焦世界科技发展的新发现、新理论和新技术交叉融合，以MEMS技术、微系统技术的理论、设计、制造、集成为基础，面向航天、国防、能源、医疗等国家战略领域面临的测量仪器微型化、集成化、智能化等实际需求，在微纳卫星及空间微系统、先进空间光学姿态敏感器、微纳能源器件及微能源系统、高端MEMS器件与集成微系统等技术方向重点开展前沿科学问题、核心关键技术及工程实践方法的创新研究。
★ 研究成果一 ★
“微纳卫星及空间微系统技术”
微纳卫星的出现是航天领域内的一场技术革命。微纳卫星相对于传统卫星具有尺寸小、重量轻、开发周期短、研制成本低、技术更新快、灵活机动性好、生存能力强等优势，在对地观测/遥感、天基通信、新技术试验、空间科学探索、航天工程教育等方面应用广阔，也是各国航天装备体系建设的重要方向之一。
尤政院士作为总设计师带领智能微系统团队完成了“NS-1”以及“TH-1”、“NS-2”等多颗纳型卫星的研制，在国内首倡并长期致力于以MEMS技术为代表的微系统技术在空间的应用研究，研制了一系列具有国际先进水平的微型化、高性能空间微系统器/组件并成功实现了在轨应用；同时，在我国率先开展了微卫星技术创新与工程实践，为我国空间微系统与微纳卫星的科技进步做出了重要贡献。
团队针对微纳卫星未来高可靠、快速响应、多星组网等应用需求，提出以MEMS器件应用为核心，从卫星设计制造、空间微型化功能器件研制及一体化高性能应用三个层次开展研究，形成了以MEMS技术为基础的纳型卫星相关新方法、新技术、新产品和新应用，并研制了高性能MEMS技术试验卫星。团队提出了“高可靠集中式最小系统”和“一体化高性能扩展系统”相结合的卫星体系框架，保证了MEMS技术试验卫星在轨有效工作和高性能任务的完成；发明了一系列基于MEMS技术的典型空间应用的功能器/组件，有效减小了卫星的体积与功耗，提高了卫星性能；发明了微型化、低功耗、高精度星敏感器及空间多目标一体化感知测量系统，发明了高分辨遥感相机与星敏感器的同时星空成像与一体化识别标定方法，在轨验证了遥感成像系统亚秒级自标定和角秒级互标定，提高了成像精度和标定自主性。
高性能MEMS技术试验卫星、微型化功能器件的成功研制、飞行试验及相关技术推广应用，对于我国航天同类产品的更新换代具有重要意义，对于MEMS技术的航天应用起到了积极的促进作用。
△ 图：尤政院士团队“微纳卫星及空间微系统技术研发重要历程”，来源：受访者供图
△ 图左、图中：尤政院士领衔“空间微系统及纳型卫星”、“先进MEMS卫星设计制造关键技术及应用”项目分别荣获国家科技进步二等奖、国家技术发明奖二等奖；图右：尤政院士出版的《空间微系统与微纳卫星》荣获第四届中国出版政府奖，来源：受访者供图
★ 研究成果二 ★
“先进空间光学姿态敏感器技术”
姿态测量与控制是航天器赖以生存和性能提升的保障，已成为制约航天领域技术进步的重要瓶颈。空间光学姿态敏感器具有测量精度高、无漂移、工作寿命长等特点，是航天器的基础性、关键性部件，在对地遥感、深空探测、空间攻防等航天应用中具有重要的战略意义。
团队在空间光学姿态敏感器技术领域开展了系统深入的研究，在新原理、新方法、新技术等方面提出 5项核心发明，在系统集成方面有4项重要创新，有针对性地突破了各项技术瓶颈，推动了光学姿态敏感器技术的发展。团队通过研究形成了以“太阳敏感器”、“星敏感器”为典型代表的微型化高性能空间光学姿态敏感器件及集成系统的基本原理、设计与标定测试方法体系，研制了满足不同类型航天器、各种空间任务需求的新型光学姿态敏感器产品系列。团队发明了空间多目标一体化感知测量系统，为解决我国首颗绕月编队超长基线测量提供了核心保障；发明了一种高分辨遥感相机与星敏感器的同时星空成像与一体化识别标定方法，在轨验证了遥感成像系统亚秒级自标定和角秒级互标定，提高了成像精度和标定自主性。
近年来，团队在研究成果的技术转化、专利转让和批量化应用取得了重大突破。部分核心专利已经在中科院长*光春**机所、北京天银星际公司等单位实现了专利转让与成果转化。相关成果已经在吉林一号卫星星座、珠海一号卫星星座等100余颗商业卫星以及探月工程、高分专项等10余颗国家重大任务卫星上进行了批量化应用；并推广到欧洲小行星探测卫星、美国全球臭氧探测卫星、日本冰川变化监测卫星、英国的低轨遥感通信平台等应用。在二十年的研究过程中，团队形成了一条从高校原始创新，到技术成果转化，再到航天应用的特色鲜明的研究路线。
△ 图左：尤政院士领衔的“先进空间光学姿态敏感器技术” 项目荣获国家技术发明奖二等奖；图右：相关技术成果在多颗国家重大任务卫星上批量化应用，并实现出口欧美日等航天强国，来源：受访者供图
★ 研究成果三 ★
“微纳能源器件及微能源系统技术”
微型化、集成化、智能化是各类仪器仪表及电子产品的主要发展趋势，现有电源体积大、功率低、寿命短、可靠性差，严重制约着智能微系统技术的发展。具有小体积、长寿命、高效能的微能源器件与微能源系统技术已成为亟待突破的关键技术，是新一代能源技术的标志性技术和重要发展方向。
微能源器件指采用微纳米技术与微加工等手段实现的能量的高效获取与转换、存储与释放的微纳器件，由于器件整体或局部尺寸的微小化导致了机制与特性表现出不同于传统能源器件的特殊微尺度效应。微能源系统是指集成多种微能源器件，集多种能量获取与转换、存储与释放功能于一体、且具有自主管理功能的微系统，特别适用于传统常规电源难以应用的众多特殊场景。
二十年来，团队始终以仪器仪表、电子信息、交通能源以及各类产业的迫切需求为目标，将国家重大需求和前沿基础研究密切结合，在基于微纳米材料及微纳米加工技术的微能源器件与系统领域，进行了长期系统深入的基础研究、技术创新与研发应用。团队提出了基于微纳加工技术的微小型超级电容器研发新思路，完成了三维结构微器件的机制阐释与设计加工，发明了基于赝电容储能的多元金属电极制备方法，研制了系列化微小型超级电容器，电压1V到20V，容量1mF到1F，储能密度比国外同类产品先进水平提高10倍以上，瞬间抗过载能力超过10万g，相关成果获教育部技术发明二等奖，中国仪器仪表科学技术一等奖。
团队突破了基于微纳米材料的超级电容器加工关键技术，完成了容量为1F至5000F全系列的超级电容器研制和规模化生产，实现了高达1200V电源系统的可靠集成与精确控制，研究成果在*器武**装备、电动车辆、电力系统等领域获得成功应用并创造了显著的经济效益，“基于微纳米技术的新型超级电容器及其实现”，获国家技术发明二等奖。
团队开展了基于多种环境能量收集与利用的微能源系统研究，提出了太阳能、振动能、海洋波浪能、人体运动等多种不规则能量的高效收集与存储方法，实现了低频环境能量的低功耗、高效率、自适应管理，研制出系列微能源系统样机，成果相继发表在多种高水平学术期刊上。
微纳能源器件及微能源技术的成功与突破，将有力解决智能微系统、物联网节点、微小型仪器仪表、可穿戴电子等面临的众多共性关键瓶颈技术，对提升性能、减小体积、降低成本、提升智能化水平具有重要的现实意义。
图左：“基于微纳米技术的新型超级电容器及其实现”获国家技术发明二等奖；图右：团队微能源器件及微能源系统研究成果，来源：受访者供图
★ 研究成果四 ★
“高端MEMS器件与集成微系统技术”
MEMS技术是人类在科技进步方面跨上的又一个新台阶。MEMS技术来源于微电子技术，可将机械结构与电路系统同时制作在芯片上。经过多年快速发展，MEMS技术的学科独立性与系统性逐步成型，可在芯片上制作微传感器、微执行器以及微能源等，从而成为了微系统技术的典型代表。高端MEMS器件与集成微系统技术的重大突破可在微观尺度上实现多类信息的获取，是精密测试技术及仪器的关键使能技术与重要支撑技术，将对国防安全、国民经济与人民生活产生深远影响。
团队在高端MEMS器件与集成微系统方向上深耕20余年，在国内最早从事基于微系统的精密检测技术研究，有着坚实的技术基础，具有显著的优势地位。团队始终围绕特殊场景、极端条件下高端MEMS器件与集成微系统，以及便携/穿戴/植入式健康监测微系统等方面开展创新研究，总体技术水平达到国际先进，其中多项核心技术属国际首创。
团队解决了一系列高端MEMS器件加工的难题，创建了可扩展的高端MEMS加工平台，“面向典型器件的体硅MEMS加工平台及其应用”获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖；超高过载自供电MEMS传感器及集成微系统在国内首次通过实测验证，填补国内空白，相关技术被国内多家重点单位应用并产业化，已列入型谱系列；在细胞分选检测、生物分子检测、人工听觉微系统、表面等离子体共振检测等方向突破了高通量细胞图形化、片上细胞聚焦分选、耳蜗内声电混合刺激等一批具有自主知识产权的关键技术，取得了一批原创性成果，研制了具有世界一流水平的高通量原位细胞多模式检测系统、流式细胞仪等检测仪器，打破了相关领域国际厂商的技术*锁封**和垄断。
△ 图：高端MEMS加工平台，来源：受访者供图
△ 图左：“面向典型器件的体硅MEMS加工平台及其应用”获高等学校科学研究优秀成果奖技术发明奖一等奖；图右：团队MEMS器件与集成微系统科研成果，来源：受访者供图
尤政院士指出，“微系统产业的最大驱动力之一，就是物联网产业。”在全世界物联网成功的案例里，传感器都起了决定性的作用，比如环境监测、智能家居、智慧楼宇等等各种各样远程的工作，都是建立在传感器的基础上。而传感器又是最典型的微系统，因此要把物联网作为一个整体来进行统一的开发，把传感器与微系统技术作为物联网的基础加以共识。此外，微系统在医疗行业、手机行业和汽车电子行业的应用都是推动产业发展的驱动力所在。
近年来，世界各发达国家都对MEMS、微系统技术的研发和产业应用投入巨大支持，我国更是将其发展上升到国家战略高度。“当前我国正在进行MEMS及微系统相关产业的布局，产业发展处于爆发的前夜。”尤政院士乐观地预判。
从NS-1高性能MEMS技术试验卫星等高精尖微型航天器，到微纳生物芯片等现代精准医疗手段；从TB量级超高密度体全息存储技术，到高精度原子钟用于北斗导航系统的精确授时，精密测试技术及仪器国家重点实验室（清华大学）的科学研究领域不仅覆盖了信息、航天、环保、国防等国家重大战略领域，同时跨越生命科学仪器、健康医疗监测、智能穿戴设备、新能源、新材料等技术领域，在科技创新快速发展和人类迎来先进制造4.0的新时代发挥着越来越重要的作用。
国之重器，为国为民。国家重点实验室是国家科技创新体系的重要组成部分，代表着我国最高精尖的科学技术研究，也是聚集和培养优秀科学家的重要科技创新基地。创壹智库（Tronedu）将深入探访各领域国家重点实验室，陆续推出“国之重器·国家重点实验室”系列专题。敬请关注！
实验室简介
精密测试技术及仪器国家重点实验室是1990年经国家计委批准、利用世行*款贷**、由清华大学与天津大*联学**合组建的国家重点实验室。1995年实验室建成并通过主管部门验收，同时正式对外开放。目前实验室的学科领域涵盖了“仪器科学与技术”（两校）和“光学工程”（清华）两个国家一级重点学科，主攻四大研究方向：激光及光电测试技术、微纳测试与制造技术、传感及测量信息技术、制造质量控制技术，分为清华大学实验区和天津大学实验区。
清华大学实验区的研究人员以清华大学精密仪器系光电工程研究所和仪器科学与技术研究所的教师与科研队伍为基本组成。研究队伍中包括中国工程院院士2人，国家杰出青年基金获得者2人。
实验室所获荣誉：
◇ 1998年教育部所属国家重点实验室评估，被科技部评为“成绩显著的开放实验室”
◇ 2002年信息类国家重点实验室评估，在参评的36个实验室中排名第七
◇ 2007年信息类国家重点实验室评估，实验室被评为优秀（A类第1名）
◇ 2012年信息类国家重点实验室评估，实验室被评为优秀
◇ 2017年信息类国家重点实验室评估，实验室被评为优秀
在最近一个评估周期（2012-2016年）中，实验室作为第一完成单位获得国家技术发明二等奖 2 项。同时，作为第一完成单位还获得省部级科技一等奖 10 项、二等奖 2 项、其它 5 项；承担国家重大重点科研任务400余项，其中国家 973 项目和课题17项，国家863项目11项，国家重大科技专项（含国家重点研发专项）29项，国家自然科学基金项目147项，专项项目265项；出版精密测试技术及仪器学科专著和教材16本，其中包括国外出版1本；获得授权发明专利429项，其中国际(境外)专利49项，申请发明专利135 项;发表研究论文1223篇。
参考资料
1、方兴东、杜磊，《人民论坛·学术前沿》，中美科技竞争的未来趋势研究——全球科技创新驱动下的产业优势转移、冲突与再平衡，2019年12月（下）
2、史玉成，中国质量报，重磅！今天开始，我国迎来强国建设重大机遇！（附院士讲解独家视频），https://mp.weixin.qq.com/s/XXiSRNWDt5ziFWUWVsb5qw，2019-05-20
3、尤政：要将传感器作为物联网的基础加以共识，经济日报-中国经济网，http://www.ce.cn/culture/gd/201809/15/t20180915_30310252.shtml，2018-9-15
4、王静，科学时报，为中国科技“画龙点睛”，金国藩院士谈王大珩推动中国仪器科学发展，2011-07-22（A2）
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受访者 | 精密测试技术及仪器国家重点实验室清华大学分室尤政院士团队
审读 | 赵嘉昊博士，清华大学精密仪器系副研究员
作者 | 创壹智库（Tronedu）
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