尖端仪器设备主要应用于科研、国防、先进制造等领域，近年来随着智能制造业的不断兴起，精密设备越来越多的进入到国民生活当中，特别是光电信息、生物医药等产业。但目前中国在高端精密设备的研发、生产方面，与发达国家仍有较大差距，先进技术囿于实验室内部，没有实现市场转化，大部分仪器设备仍依托海外进口，设备不仅采购周期长，造价也十分高昂。面对这种困境，精密仪器研发团队应运而生，团队基于核心成员在中科院物理所数十年的技术积累，进行精密科研设备国产替代的产业化工作，填补国内市场在这方面的空白。
精密仪器研发团队（下简称精密仪器团队）是松山湖材料实验室第一批进驻的研发团队之一，专注研制、生产围绕材料生长、表征与应用的设备，主要涉及精密科研仪器、高端工业自动化装备及精密医疗仪器三个领域。目前研发成熟的产品有化学气相沉积系统（CVD），扫描隧道显微镜（STM）,压电驱动纳米位移台（NanoMotion），团队最新的研发重点为基于石墨烯的生物芯片与生化检测仪。这些设备在国内尚无同类产品，其在研发推出后可以解决国内市场精密器械“卡脖子”的劣势，实现生产成本可控。
二维材料生长设备（化学气相沉积CVD）
团队研发的CVD系统，能在无催化剂的情况下生长高质量的石墨烯材料，并精确控制其生长层数，这种高精度的材料区别于一般工业生产的石墨烯薄膜，可应用于微电子产品及生物医药等领域，是制作微纳器件、分子级传感器的主要材料。系统不仅解决了新型材料在生产工艺技术上的难题，也兼容了传统半导体生长的特性，是实现大规模精确生产、控制、检测新材料的先进设备。
自行开发的CVD石墨烯生长设备
化学气相沉积系统主要通过微波或射频的方法将目标气体电离，产生化学反应，从而在基片上沉积出所需要的薄膜产品，现阶段工业中这种制备方法成本较高，工艺技术也有待提高。精密仪器团队自主研发的CVD设备可实现在多种衬底上直接生长石墨烯等新型二维材料，生长的材料精度高，均匀性好。石墨烯目前在工业生产中主要用于材料导热，这种运用比较基础，没有发挥其新型材料的良好特性。
生长了石墨烯的4英寸石英晶圆
现阶段全球半导体CVD设备的市场规模已有80亿美元，预计未来三年将突破90亿大关，中国的半导体行业还在起步阶段，市场需求量与日俱增，但目前国内相关设备的自给率低，仍依托海外进口,如日本东京电子和美国Lam在CVD设备方面的实力均较强。近来的中美科技战也让我们看清过度依赖进口会使得我们在进一步的发展中处处受制于人，因此国家也在大力推动高端仪器国产化。精密仪器团队自主研发的CVD系统可满足国内市场对新型材料的大规模精确生产、控制、检测等需求。本系统所做的工作已经能够媲美国外进口CVD系统，若未来国外继续限制高端科研仪器对中国的出口，加上有国家对这一领域的扶持，CVD设备在科研、半导体工业领域的市场份额会进一步提高。
PECVD-C4
超高真空低温扫描隧道显微镜（STM）
自年扫描隧道显微镜的问世，物理学家作出了一个突破，STM是进行新材料和凝聚态物理研究的重要设备，它作为一种扫描探针显微术工具，可以对材料进行原子级别的分辨成像，其不仅可以对材料表面进行原子量级的观察，也可以同时进行对材料原子结构和电学特性的研究，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。
扫描隧道显微镜STMUltrascanLT-
STM的研发过程中涉及的超高真空技术、嵌入式实时控制、精密测量等技术都是不小的技术难题，导致这类设备长期以来依赖海外进口。精密仪器团队经过长期的技术研究，掌握了其中的关键核心技术如压电陶瓷步进马达、低温STM探头、超高真空液氦双层杜瓦等，并对设备进行创新性研发，系统主要指标达到甚至超过了国际上STM商业化系统的最好水平。
从STM设备得出的表面形貌及原子分辨率
目前我国扫描隧道显微镜（STM）年市场总需求量接近一亿人民币，结合全球市场行情，未来数年内其市场年仍将持续增长，市场潜能巨大，但这类仪器当下仍依托欧美和日本进口。项目自主研发的STM设备可满足该领域国内市场的需求，实现进口科研仪器设备的国产化。团队今后还将涉足超高真空相关配件，诸如磁力杆、机械手、真空馈通件等，不断完善STM配套设施及周边产品，以满足更多客户的需求，并逐步实现产品的规模化，利润的最大化。
压电驱动纳米位移台NanoMotion
特殊材料的压电效应作为二十世纪的一项重要物理发现，为人类在微驱动领域提供了更为便捷有效的发展方向，在近年来，针对压电材料的研究以及应用也屡有突破，在科学研究领域，压电效应及其应用已是一项热门的研究课题。以压电陶瓷作为运动促动元件的压电驱动马达（亦称压电纳米位移台），相比于电机驱动，其行程不受限，分辨率更高（可达亚纳米级），适用于更多微观尺度上的应用。团队研发的第三类产品——纳米压电驱动马达，也是进行材料表征与应用的重要工具，它适用于半导体器件在纳米至微米量级的检测，以及检测中的精准定位。压电陶瓷驱动在电场的作用下会产生微米级的膨胀变化，通过改变施加给压电陶瓷的电压，控制其膨胀量，从而达到对运动位置的精确定位。目前国内常见的压电陶瓷驱动产品的行程为几微米到几十微米不等，行程小，应用范围窄，对于需要大行程、高分辨率的科学研究及生产制造活动有很大的限制，缺乏应用的灵活性。
超精密压电驱动纳米位移台零部件
精密仪器团队研发的纳米压电驱动马达，使用压电陶瓷作为运动促动原件，利用粘滑运动原理，可以在数十毫米范围内实现纳米级别的最小步长，解决了传统纳米台行程不足，而微米电动台分辨精度不高的问题。此外，相比电机类运动控制产品，团队研发的产品具有运动无需润滑，百分百真空兼容，可在从液氦温区（-℃）至室温的宽温区内工作等优点。在功能及操作模式上，团队研发的产品具有步进和扫描双工作模式，在宏观行程范围内能达到亚纳米分辨率的定位。
以压电驱动纳米位移台为核心的三轴纳米探针台
作为二十一世纪的新型产品，压电驱动马达在基础科研市场，半导体市场，先进制造业，生物医药行业，光学、通信等行业都能够被广泛应用。尤其随着国家*策对半导体行业的大力扶持，在半导体精密加工，芯片制造，5G通讯等具体应用场景，压电驱动马达的市场需求得到进一步扩充，市场前景更广阔。但在产品开发及市场应用上，受制于国内发展较国际上滞后的事实，即使经过改革开放后的数十年飞速发展，在压电驱动产品上，国内高端压电类产品依然一直依赖国外进口，且受国外PI、MICRONIX等知名跨国公司垄断。精密仪器研发团队立足于市场需求以及国情，通过自主研发，已研发出新一代压电驱动马达，其性能指标已达到国际高端产品的参数标准，并通过长时间实际应用场景测试，确定了其在低温、真空等极限环环境下亦可正常使用，应用场景更为广阔，同时，相比国外同类产品，成本更低，服务更快捷有效，使得国内市场不再受到国外垄断，增加了市场活力。
基于石墨烯的生物芯片和生化检测仪
随着近年来传染性病*疫情的发生，生物分子检测市场呈现井喷式增长，对社会公共卫生管理，分级医疗等活动提出了巨大挑战。目前得到广泛应用的核酸检测试剂盒，主要采用核酸及人体免疫球蛋白等技术，如聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）等，其扩增、标记等前处理耗时较长，同时受限和依赖于专业人员和昂贵光学检测设备，难以满足高通量的早期便携式即时检测要求。因此，开发及应用具有较强成本竞争力的高通量即时精确检测技术对于疫情防控、态势评估及应对潜在挑战等方面具有重要意义。
便携式生化检测仪样机
石墨烯场效应晶体管抗体、抗原生物传感器示意图
精密仪器团队制作以石墨烯二维材料作为沟道的场效应晶体管，通过抗原、抗体及CRISPR酶表面功能化，实现对特定病*抗原或者病*核酸的高特异性检测，检测灵敏度达到aM量级，检测时间缩短到5分钟。以此为基础，通过高质量石墨烯材料的量产、石墨烯芯片的批量加工和高灵敏度的便携式检测仪的开发，实现基于二维材料生物传感芯片的新一代便携式生化检测系统的产业化。该检测仪除了可用于防疫期间传染性病*（包括新冠等）的检测，还可扩展到日常的医疗检查、化验、检验检疫等领域，具有巨大的市场前景。
自主研发的石墨烯生物芯片
随着社会生产活动中对精密生产、检测需求的不断增大，科学技术产业化迫在眉睫。在科研仪器设备产业化应用上，高端市场一直被国外进口设备垄断，国内精密设备在高端市场上缺乏应有的竞争力。精密仪器研发团队依托于松山湖材料实验室，以产业化公司作为对外平台，建设团队自有的产业化基地，实现从研发、试验、市场推广，规模化生产、检测、销售以及售后服务等一系列流程的一体化，并不断通过市场反馈进行技术研发革新，以扩大应用领域，逐步完成“高端科研设备国产化”目标，自主研发可替代产品，形成国产设备多元化、尖端化发展。
撰稿：松山湖材料实验室精密仪器研发团队
本文刊载于《中国科技投资》年第10期
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