【所屬領(lǐng)域】
智能制造、光電信息
【痛點問題】
Nano-g（10-9g，1g≈9.81m/s2）級高精度加速度傳感對于實現(xiàn)長航時導(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國內(nèi)市場，但是85%的國內(nèi)市場被國外公司占有，市場仍處于國外公司壟斷競爭態(tài)勢。目前高精度方案均采用石英材料，但加工難度大、成本高；電容傳感的微機電MEMS方案具有成本低、體積小等優(yōu)勢，但精度較低。隨著智能交通需求日益旺盛，能源短缺問題日益凸顯，汽車和交通以及物探行業(yè)市場更青睞于兼顧低成本和高精度，如果能有相關(guān)的國產(chǎn)高端低價加速度傳感器與精密測量儀器面世，將會改變現(xiàn)有的市場格局，呈爆發(fā)式增長態(tài)勢。
【成果介紹】
本成果包括兩個部分，分別為成熟度較高且經(jīng)過應(yīng)用驗證的Nano-g級電容式MEMS加速度傳感器及儀器，以及較為前沿的基于量子增強效應(yīng)的Nano-g級光學(xué)微加速度傳感器。
前者采用硅基微納加工工藝，可實現(xiàn)批量的電容式高精度MEMS加速度傳感器芯片，目前該項成果的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)屬于在國際上并跑狀態(tài)，并已經(jīng)成果搭載長征五號B型火箭在我國新一代載人航天飛船試驗船上進行過微重力環(huán)境測量應(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)方案作為信號讀出手段，有望突破標(biāo)準量子極限噪聲，實現(xiàn)更高精度和靈敏度的探測。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，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/span>
圖1 成熟的電容式Nano-g級高精度MEMS加速度傳感器芯片
和高精度微震動測量儀器
【技術(shù)優(yōu)勢】
基于光電器件的量子傳感和量子精密測量技術(shù)是提高極弱加速度傳感和測量的極具發(fā)展?jié)摿Φ姆较颉１境晒Y(jié)合量子傳感的高靈敏度優(yōu)勢和先進微納制造的小型化優(yōu)勢，實現(xiàn)小型化高精度加速度傳感器及重力測量儀器，未來將打破國外技術(shù)壟斷，對智能交通、能源開發(fā)和災(zāi)害預(yù)警等相關(guān)領(lǐng)域的市場競爭格局帶來顛覆性變化。
【性能指標(biāo)】
本成果所涉及的電容式和量子增強型光學(xué)MEMS加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)與國內(nèi)外同類成果比較如下，具體技術(shù)指標(biāo)請與成果負責(zé)人聯(lián)系。其中，電容式MEMS加速度傳感器與國際領(lǐng)先水平持平，處于并跑；量子增強型光學(xué)MEMS加速度傳感器技術(shù)指標(biāo)體系處于國際領(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)國內(nèi)外對比
研究團隊 |
噪聲水平 |
傳感原理 |
證明材料 |
本團隊 |
0.25 ng/√Hz |
電容式 |
ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 8 IEEE Access, 2019, 7, pp. 153650-9 |
英國帝國理工 |
0.25 ng/√Hz |
電容式 |
IEEE MEMS 2018, pp.113-116 |
美國計量院 |
32 ng/√Hz |
光學(xué)式 |
Optica 8 (3), 2021 |
英國劍橋大學(xué) |
10 ng/√Hz |
諧振式 |
IEEE Inertial 2021, pp.1-4 |
清華大學(xué) |
75 ng/√Hz |
諧振式 |
Sens. Actuators, A 325, 2021 |
中科院空天院 |
3 ng/√Hz |
電化學(xué)式 |
IEEE Sensor. J. 16 (3), 2015 |
西安交通大學(xué) |
17 ng/√Hz |
電容式 |
Sens. Actuators, A 296, 2019 |
表2 量子增強型光學(xué)MEMS加速度傳感器核心技術(shù)指標(biāo)國內(nèi)外對比
研究團隊 |
年份 |
光學(xué)傳感方式 |
量程 |
噪聲水平 |
帶寬 |
本團隊 |
2023 |
F-P干涉 |
1 g |
10 ng/Hz1/2 |
500 Hz |
桑迪亞國家實驗室 |
2008 |
光柵衍射 |
40 mg |
17 ng/Hz1/2 |
10 Hz |
英國Glasgow |
2016 |
擋光式 |
1 mg |
40 ng/Hz1/2 |
1 Hz |
美國Silcon Audio |
2019 |
光柵衍射 |
2 g |
3 ng/Hz1/2 |
100 Hz |
美國NIST |
2020 |
F-P干涉 |
1 mg |
32 ng/Hz1/2 |
6800 Hz |
【技術(shù)成熟度】
已有樣品/樣機。
【應(yīng)用場景】
成果團隊在高精度MEMS傳感器的研制基礎(chǔ)上通過進一步攻克高可靠結(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月搭載長征五號B遙一火箭成功發(fā)射并回收（微震儀返回后經(jīng)復(fù)測正常），完成了我國新一代載人航天飛船試驗船在軌微重力環(huán)境下的擾動加速度測量，任務(wù)執(zhí)行期間成功監(jiān)測到多個事件，包括貨運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)用于我國嫦娥七號月球探測任務(wù)，未來將開展相關(guān)傳感器和儀器的產(chǎn)業(yè)化推進。
圖2 三分量星載MEMS微震儀應(yīng)用案例
【知識產(chǎn)權(quán)】
該成果包括多項已授權(quán)中國發(fā)明專利。
【合作方式】
專利許可、專利轉(zhuǎn)讓、作價入股、技術(shù)開發(fā)、面談等。
【聯(lián)系方式】
CG23035
