應(yīng)用領(lǐng)域及背景

Nano-g（10-9g，1g≈9.81m/s2）級(jí)高精度加速度傳感對(duì)于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)導(dǎo)航、智能交通、資源勘探和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域具有重要意義，相關(guān)高端加速度傳感器和儀器更是具有百億級(jí)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，但是85%的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被國(guó)外公司占有，市場(chǎng)仍處于國(guó)外公司壟斷競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)。目前高精度方案均采用石英材料，但加工難度大、成本高；電容傳感的微機(jī)電MEMS方案具有成本低、體積小等優(yōu)勢(shì)，但精度較低。隨著智能交通需求日益旺盛，能源短缺問(wèn)題日益凸顯，汽車和交通以及物探行業(yè)市場(chǎng)更青睞于兼顧低成本和高精度，如果能有相關(guān)的國(guó)產(chǎn)高端低價(jià)加速度傳感器與精密測(cè)量?jī)x器面世，將會(huì)改變現(xiàn)有的市場(chǎng)格局，呈爆發(fā)式增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

成果原理

本成果包括兩個(gè)部分，分別為成熟度較高且經(jīng)過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證的Nano-g級(jí)電容式MEMS加速度傳感器及儀器，以及較為前沿的基于量子增強(qiáng)效應(yīng)的Nano-g級(jí)光學(xué)微加速度傳感器。

前者采用硅基微納加工工藝，可實(shí)現(xiàn)批量的電容式高精度MEMS加速度傳感器芯片，目前該項(xiàng)成果的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)屬于在國(guó)際上并跑狀態(tài)，并已經(jīng)成果搭載長(zhǎng)征五號(hào)B型火箭在我國(guó)新一代載人航天飛船試驗(yàn)船上進(jìn)行過(guò)微重力環(huán)境測(cè)量應(yīng)用，性能卓越，技術(shù)可靠，成熟度高。

后者采用量子精密傳感相關(guān)技術(shù)，采用光學(xué)方案作為信號(hào)讀出手段，有望突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限噪聲，實(shí)現(xiàn)更高精度和靈敏度的探測(cè)。目前相關(guān)技術(shù)指標(biāo)在世界上處于領(lǐng)跑狀態(tài)，技術(shù)先進(jìn)，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

圖1 成熟的電容式Nano-g級(jí)高精度MEMS加速度傳感器芯片和高精度微震動(dòng)測(cè)量?jī)x器

創(chuàng)造性與先進(jìn)性

基于光電器件的量子傳感和量子精密測(cè)量技術(shù)是提高極弱加速度傳感和測(cè)量的極具發(fā)展?jié)摿Φ姆较?。本成果結(jié)合量子傳感的高靈敏度優(yōu)勢(shì)和先進(jìn)微納制造的小型化優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)小型化高精度加速度傳感器及重力測(cè)量?jī)x器，未來(lái)將打破國(guó)外技術(shù)壟斷，對(duì)智能交通、能源開(kāi)發(fā)和災(zāi)害預(yù)警等相關(guān)領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局帶來(lái)顛覆性變化。

圖1 成熟的電容式Nano-g級(jí)高精度MEMS加速度傳感器芯片和高精度微震動(dòng)測(cè)量?jī)x器

性能指標(biāo)

本成果所涉及的電容式和量子增強(qiáng)型光學(xué)MEMS加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同類成果比較如下，具體技術(shù)指標(biāo)請(qǐng)與成果負(fù)責(zé)人聯(lián)系。其中，電容式MEMS加速度傳感器與國(guó)際領(lǐng)先水平持平，處于并跑；量子增強(qiáng)型光學(xué)MEMS加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)體系處于國(guó)際領(lǐng)先水平，屬于領(lǐng)跑。

表1 電容式MEMS加速度傳感器核心技術(shù)指標(biāo)國(guó)內(nèi)外對(duì)比

表2 量子增強(qiáng)型光學(xué)MEMS加速度傳感器核心技術(shù)指標(biāo)國(guó)內(nèi)外對(duì)比

技術(shù)成熟度

已有樣機(jī)

應(yīng)用場(chǎng)景

成果團(tuán)隊(duì)在高精度MEMS傳感器的研制基礎(chǔ)上通過(guò)進(jìn)一步攻克高可靠結(jié)構(gòu)、高可靠電路和高可靠工藝等難題，研制了三分量星載MEMS微震儀，于2020年5月搭載長(zhǎng)征五號(hào)B遙一火箭成功發(fā)射并回收（微震儀返回后經(jīng)復(fù)測(cè)正常），完成了我國(guó)新一代載人航天飛船試驗(yàn)船在軌微重力環(huán)境下的擾動(dòng)加速度測(cè)量，任務(wù)執(zhí)行期間成功監(jiān)測(cè)到多個(gè)事件，包括貨運(yùn)飛船與載人飛船分離等。性能卓越，技術(shù)成熟度高。相應(yīng)成果即將應(yīng)用于我國(guó)嫦娥七號(hào)月球探測(cè)任務(wù)，未來(lái)將開(kāi)展相關(guān)傳感器和儀器的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

圖2 三分量星載MEMS微震儀應(yīng)用案例

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院