微型石英传感器如何拯救了无数生命

1992年，阿萨德·马德尼（Asad M. Madni）执掌BEI传感器与控制公司，负责一系列传感器和惯性导航设备产品线，但公司的客户群体极为单一——主要集中在航空航天和国防电子领域。

彼时，他面临严峻挑战。

冷战的终结重创了美国国防工业，订单一落千丈，且短期内难以复苏。BEI迫切需要开拓新的客户群体。

要赢得这些客户，公司必须放弃原有的机械惯性传感器系统，转而押注尚未经过市场验证的石英技术，同时将石英传感器微型化，并将原本年产数万只高价传感器的生产模式，转变为年产数百万只低价传感器的大规模制造体系。

马德尼为此发起了一场全员攻坚，最终以一款名为GyroChip的产品，创造了远超所有人预期的成就。这款价格亲民的惯性测量传感器，是同类产品中首次被应用于汽车领域的设备。它使电子稳定控制（ESC）系统得以检测车辆侧滑，并通过自动制动防止翻车事故的发生。根据美国国家公路交通安全管理局的数据，在2011年至2015年这五年间，随着ESC系统在所有新车上的全面普及，仅在美国本土就挽救了7000条生命。

此后，GyroChip进一步成为无数商用及私人飞机稳定控制系统以及美国导弹制导系统的核心部件，甚至随火星探路者"旅居者"号火星车抵达了火星表面。

凭借在GyroChip领域的开创性贡献及其在技术研发与研究领导方面的杰出成就，马德尼荣获2022年IEEE荣誉奖章。

从艺术梦想到工程师之路

工程学并非马德尼最初的职业志向——他最初的梦想是成为一名艺术家，专注于绘画创作。然而，20世纪五六十年代印度孟买（旧称"Bombay"）的家庭经济状况，使他不得不转向工程领域，而他对袖珍晶体管收音机这一当时新兴技术的浓厚兴趣，最终引领他选择了电子工程方向。1966年，他远赴美国，在纽约市RCA学院攻读电子学——这所学校创建于20世纪初，最初旨在培训无线电操作员和技术人员。

"我想成为一名能够发明创造的工程师，"马德尼说，"一个能够做出最终影响人类的事情的人。因为如果我不能影响人类，我觉得我的职业生涯将毫无意义。"

完成RCA学院的电子技术课程后，马德尼升入加州大学洛杉矶分校（UCLA），于1969年获得电气工程学士学位，随后继续攻读硕士和博士学位。他的博士论文研究将数字信号处理与频域反射法相结合，用于电信系统分析。求学期间，他同时担任太平洋州立大学讲师、比弗利山庄零售商David Orgell的库存管理人员，以及Pertec公司的计算机外设设计工程师。

1975年，已订婚的马德尼在昔日同学的强烈推荐下，申请加入了Systron Donner公司的微波部门。

从频谱分析仪到陀螺仪芯片

马德尼在Systron Donner的第一个项目，便是设计出全球首款具备数字存储功能的频谱分析仪。此前他从未真正使用过频谱分析仪——这类仪器在当时价格极为昂贵——但凭借扎实的理论功底，他成功地赢得了这份工作机会。随后他在测试岗位积累了半年的实操经验，才正式着手重新设计这款仪器。

这一项目历时两年，最终产生了三项重要专利，成为他职业上升道路的重要起点。马德尼表示，这段经历使他深刻体会到"掌握理论知识"与"将技术商业化以造福他人"之间的本质区别。

此后，他为美国军方研发了大量射频和微波系统及仪器，其中包括专为海军打造的通信线路及天线分析仪，这也成为他博士研究的基础。

尽管马德尼很快晋升至管理层，并最终出任Systron Donner董事长、总裁兼CEO，但昔日同事表示，他从未真正离开实验室。他的技术印记深刻于每一个参与的项目之中，包括最终催生GyroChip的那项里程碑式工作。

惯性测量单元的时代背景

在介绍这颗成为GyroChip核心的微型石英传感器之前，有必要回顾一下20世纪90年代惯性测量单元（IMU）的技术背景。IMU用于测量物体的多项运动参数：比力（即非重力引起的加速度）、绕轴旋转的角速率，以及有时涉及的三维空间方位。

20世纪90年代初，典型的IMU采用机械陀螺仪进行角速率测量。一套包含三个高精度旋转质量陀螺仪的装置，体积大约相当于一台烤箱，重量约达一公斤。采用环形激光陀螺仪或光纤陀螺仪的版本虽然稍小，但当时所有高精度光学及机械陀螺仪的售价均高达数千美元。

1990年，Systron Donner将旗下国防电子业务出售给BEI技术公司——一家BEI电子公司的上市子公司，而BEI电子本身则脱胎于历史悠久的鲍德温钢琴公司。彼时的IMU体积庞大、重量可观、造价高昂，且含有活动机械部件，极易因磨损而影响可靠性。

就在出售前不久，Systron Donner已从一批美国发明人处获得了一种全新角速率传感器的专利授权。马德尼表示，这项技术当时不过是一份纸面设计，但公司已开始将部分研发预算投入其中。

该设计的核心，是一个采用标准硅晶圆加工工艺从石英材料中切割而成的微型双端振动音叉。音叉叉齿会在科里奥利力（物体抵抗被拉离旋转平面时所受的惯性力）的作用下发生偏转。由于石英具有压电特性，作用于其上的力的变化会引起电荷的变化，而这些变化可被转换为角速度的测量值。

战略转型：从国防到大众市场

进入BEI后，这一项目得以延续，并于20世纪90年代初实现了每年约1万只石英陀螺传感器的量产，用于一项保密国防项目。然而，随着苏联解体和美国国防工业的迅速萎缩，马德尼担忧这些新型微型传感器乃至传统机械传感器的市场可能将在相当长的时间内无以为继。

"我们有两条路可走，"马德尼回忆道，"要么在沙漠中坚守，等待平静地消亡——但这实在可惜，因为没有其他人拥有这项技术；要么寻找其他可以应用它的领域。"

于是，一场市场探索就此展开。马德尼带领研发和市场团队参加了他们能找到的每一场传感器行业会议，与所有使用惯性传感器的人广泛交流，无论其应用场景是工业、商业还是航天领域。他们展示了公司研发的石英角速率传感器，着重宣传其价格、精度和可靠性优势，并描绘出未来数年内实现更小、更廉价的明确路径。NASA对此产生了浓厚兴趣，并最终将这些传感器应用于火星探路者"旅居者"号火星车以及辅助宇航员太空自由行走的系统之中。波音公司和其他飞机及航电系统制造商也相继开始采用这一设备。

然而，汽车行业才是最具潜力的目标市场。20世纪80年代末，汽车厂商开始在高端车型上引入基础牵引力控制系统。这些系统能够监测方向盘位置、油门位置和各车轮转速，并在检测到异常时自动调节发动机转速和制动力度，例如发现某个车轮转速异常偏高时予以干预。然而，这些系统无法识别车辆实际行驶方向与方向盘转向不一致的情况——而这正是可能演变为翻车事故的不稳定侧滑的关键指征。

业界清楚地认识到这一不足，也深知翻车事故是汽车伤亡的重要原因之一。博世等汽车电子供应商正积极研发以硅基材料为主的小型可靠角速率传感器，以改善牵引力控制和翻车预防性能，但彼时尚无成熟产品面世。

马德尼认为，这正是BEI的突破口。BEI与德国法兰克福的Continental Teves公司合作，致力于缩小石英器件的体积并降低其成本，将年产量从国防行业从未有过的规模提升至数百万只。

这一从国防领域向竞争最激烈的大众市场的重大转型，对公司及其工程师团队都提出了深刻变革的要求。马德尼毅然做出了这一抉择。

"我告诉大家，我们必须实现微型化，必须将成本降下来——从每轴1200到1800美元，降到100美元，再到50美元，最终降到25美元。我们必须做到每月销售数十万件，然后是每月百万件乃至更多。"

为此，他深知石英角速率传感器的设计中不能有任何多余的元件。同样，制造、供应链乃至销售管理体系都必须进行根本性的变革。

"我告诉工程师们，除了绝对必要的东西，其他一律不能有，"马德尼回忆道，"有些人不肯接受——他们习惯了复杂设计，不愿意做简洁的设计。我尽力向他们解释，我要求他们做的事情，比他们以往做的那些复杂东西更难。"但他最终还是失去了一些高级设计工程师。

"董事会问我在做什么，说那些可都是我们最优秀的人。我告诉他们，这不是谁最优秀的问题；如果一个人不愿适应当下的需求，再优秀又有什么用？"

他将愿意改变的工程师送往瑞士的钟表厂学习石英材料的处理工艺——瑞士制表业使用这种材料已有数十年历史；同时还为其他工程师安排了汽车行业专家的专项培训，帮助他们了解该行业的运作模式和技术要求。

马德尼坦言，这一系列变革绝非坦途。"我们背上留下了很多伤疤，经历了一个极为艰难的过程。但在我任职期间，BEI最终成为全球最大的汽车稳定性及翻车预防传感器供应商。"

市场爆发与行业扩张

马德尼表示，20世纪90年代末，电子稳定控制系统市场出现了爆发式增长，导火索是1997年发生的一起事件。一名汽车记者在测试赛道上试驾一辆全新奔驰车时，进行所谓的"麋鹿测试"（elchtest）——以正常车速进行急转向，模拟躲避路面横穿麋鹿的情景，结果车辆发生翻滚。这一负面事件引发广泛关注，迫使奔驰及其竞争对手纷纷加速引入稳定控制系统，GyroChip的需求也随之急速攀升。

凭借与Continental Teves的合作协议，BEI在此后多年间占据了相当大的汽车市场份额。彼时BEI并非市场上的唯一玩家——德国博世已于1998年开始量产硅基MEMS角速率传感器——但这家加州公司是唯一采用石英传感器的制造商，而石英传感器在当时的性能确实优于硅基产品。时至今日，大多数车规级角速率传感器制造商已转向硅基技术，因为该技术已日趋成熟，且生产成本更低。

在汽车市场产能持续扩张的同时，马德尼继续积极开拓新的应用领域，并在航空行业找到了另一个重要市场。

20世纪90年代初至中期，波音737卷入了一系列由意外方向舵运动引发的坠机事故和险情，部分故障根源被追溯至采用偏航阻尼技术的飞机动力控制装置（PCU）。尽管偏航传感器并非直接被认定为事故原因，但波音确实需要对其PCU进行重新设计。马德尼和BEI团队成功说服波音，在此后所有737机型上全面采用BEI的石英传感器，并为现有飞机进行改装。私人航空飞机制造商随后也相继采纳了这一传感器。国防市场最终也再度回归。

如今，电子角速率传感器已遍布各类载具——无论是陆地、空中还是海上——而马德尼当年推动的微型化与成本降低工作，正是这一技术普及的先行开路之举。

学术新篇章

2005年，BEI积累的技术组合使其成为极具吸引力的收购目标。除角速率传感器外，公司还因为哈勃空间望远镜研发出前所未有的高精度指向系统而享誉业界。传感器与控制部门已扩展为BEI传感器与系统公司，马德尼担任首席执行官兼首席技术官。

"我们并没有主动寻找买家；公司发展势头极好，我们仍在持续谋求增长。但多家公司表达了收购意向，其中施耐德电气尤为坚持，始终不肯放弃，我们最终不得不将这一方案提交董事会审议。"

交易于2005年年中完成。经历短暂的过渡期后，马德尼婉拒了施耐德电气提供的领导职位，于2006年正式退休。

然而，马德尼所说的"退休"，不过是告别了工业界，随即开启了学术领域的繁忙新生活。他先后担任六所大学的名誉教授，包括希腊克里特理工大学、德克萨斯大学圣安东尼奥分校和新西兰怀卡托大学。2011年，他以杰出科学家和杰出兼职教授身份加入UCLA电气与计算机工程系，并将其视为自己的学术主场。他每周都会到访校园，与指导的学生见面——这些学生的研究方向涵盖传感技术、信号处理、面向传感器设计的AI应用，以及超宽带高速仪器。迄今为止，马德尼已指导25名研究生完成学业。

他在UCLA指导过的学生之一、现任SILC Technologies首席系统工程师的塞乔·洛纳潘（Cejo K. Lonappan）表示，马德尼对学生研究工作的影响非常看重，要求他们为每个研究项目撰写执行摘要，不仅要阐述技术本身，还要着眼于更宏观的意义。

"在学术研究中，人们很容易沉陷于细节，纠缠于那些对研究者本人看似重要、却无关大局的枝节问题，"洛纳潘说，"但他非常看重我们的研究对工程和科学界以外的影响——包括实际应用价值，以及它能开辟哪些新的前沿领域。"

加州州立大学北岭分校电气工程和计算机科学系教授、前系主任S.K.拉梅什（S.K. Ramesh）也亲眼见证了马德尼作为导师的风格。

"对他而言，"拉梅什说，"工程不只是工程本身，而是关乎如何工程化地构建未来，展示如何改变人们的生活。而且他从不被困难所击退。"

"我们曾有一组学生想把游戏头戴设备改造成供轮椅使用者控制的脑机接口，"拉梅什说，"我们咨询了一位神经科医生，他对此嗤之以鼻，认为用头戴设备监测脑波并即时转化为运动指令根本不可能实现。但马德尼教授关心的是如何解决这个问题，并且认为即便最终无法解决，在尝试的过程中也一定会有所收获。"

克里特理工大学教授亚尼斯·菲利斯（Yannis Phillis）这样评价马德尼："这个人对工程学有着极深的造诣，但他的兴趣却极为广博。记得我们在克里特初次见面时，我跳了一段独舞——泽伊贝基科舞，这是一种植根于古希腊的传统舞蹈。他不停地问我：为什么是这样？那又是为什么？他对社会、人类行为、自然环境，以及人类文明的延续，都保持着旺盛的好奇心。"

马德尼当年怀揣着以工程改变人类命运的抱负走上这条路，如今他坦言，自己已在某些方面实现了这一夙愿。

"太空应用增进了人类对宇宙的认知，我有幸参与其中，"他说，"我在汽车安全领域的贡献，以它自身朴素的方式，为全球数百万人的生命安全提供了保障。我的技术也在国家防务与安全中发挥了重要作用。这是一段令我无比欣慰的职业历程。"

Q&A

Q1：GyroChip是什么？它是如何防止汽车翻车事故的？

A：GyroChip是BEI公司研发的一款基于石英音叉结构的惯性测量传感器。它利用石英的压电特性，通过检测科里奥利力引起的电荷变化来测量角速度。在汽车领域，GyroChip被集成到电子稳定控制（ESC）系统中，能够识别车辆实际行驶方向与方向盘转向不一致的异常状态，进而自动触发制动，有效防止侧滑演变为翻车事故。根据美国国家公路交通安全管理局统计，仅2011年至2015年间，ESC系统在美国本土就挽救了约7000条生命。

Q2：BEI公司为什么要从国防市场转向汽车市场？

A：冷战结束后，美国国防工业大幅萎缩，BEI原有的主要客户群——航空航天和国防电子行业——订单锐减，且短期内难以恢复。面对生死存亡的抉择，马德尼带领团队积极探索新市场，最终将目光锁定在汽车行业。当时汽车厂商正迫切需要小型、可靠的角速率传感器来提升车辆稳定性控制能力，而BEI的石英传感器在性能上具备明显优势。通过与Continental Teves合作，BEI成功实现了从年产万只高价传感器到年产百万只低价传感器的重大转型。

Q3：马德尼退休后在学术界做了哪些工作？

A：马德尼于2006年从工业界退休后，随即投身学术领域。他先后担任全球六所大学的名誉教授，并于2011年以杰出科学家和兼职教授身份加入UCLA电气与计算机工程系。他每周在校指导学生，研究方向涵盖传感技术、信号处理、AI辅助传感器设计及超宽带高速仪器等领域，迄今已指导25名研究生完成学业。他尤为注重研究工作对工程科学界以外的社会影响，要求学生从更宏观的视角审视自身研究的实际价值与应用前景。