【所属领域】
智能制造、光电信息
【痛点问题】
Nano-g（10-9g，1g≈9.81m/s2）级高精度加速度传感对于实现长航时导航、智能交通、资源勘探和灾害预警等领域具有重要意义，相关高端加速度传感器和仪器更是具有百亿级国内市场，但是85%的国内市场被国外公司占有，市场仍处于国外公司垄断竞争态势。目前高精度方案均采用石英材料，但加工难度大、成本高；电容传感的微机电MEMS方案具有成本低、体积小等优势，但精度较低。随着智能交通需求日益旺盛，能源短缺问题日益凸显，汽车和交通以及物探行业市场更青睐于兼顾低成本和高精度，如果能有相关的国产高端低价加速度传感器与精密测量仪器面世，将会改变现有的市场格局，呈爆发式增长态势。
【成果介绍】
本成果包括两个部分，分别为成熟度较高且经过应用验证的Nano-g级电容式MEMS加速度传感器及仪器，以及较为前沿的基于量子增强效应的Nano-g级光学微加速度传感器。
前者采用硅基微纳加工工艺，可实现批量的电容式高精度MEMS加速度传感器芯片，目前该项成果的相关技术指标属于在国际上并跑状态，并已经成果搭载长征五号B型火箭在我国新一代载人航天飞船试验船上进行过微重力环境测量应用，性能卓越，技术可靠，成熟度高。
后者采用量子精密传感相关技术，采用光学方案作为信号读出手段，有望突破标准量子极限噪声，实现更高精度和灵敏度的探测。目前相关技术指标在世界上处于领跑状态，技术先进，发展潜力大。
图1 成熟的电容式Nano-g级高精度MEMS加速度传感器芯片
和高精度微震动测量仪器
【技术优势】
基于光电器件的量子传感和量子精密测量技术是提高极弱加速度传感和测量的极具发展潜力的方向。本成果结合量子传感的高灵敏度优势和先进微纳制造的小型化优势，实现小型化高精度加速度传感器及重力测量仪器，未来将打破国外技术垄断，对智能交通、能源开发和灾害预警等相关领域的市场竞争格局带来颠覆性变化。
【性能指标】
本成果所涉及的电容式和量子增强型光学MEMS加速度传感器技术指标与国内外同类成果比较如下，具体技术指标请与成果负责人联系。其中，电容式MEMS加速度传感器与国际领先水平持平，处于并跑；量子增强型光学MEMS加速度传感器技术指标体系处于国际领先水平，属于领跑。
表1 电容式MEMS加速度传感器核心技术指标国内外对比
研究团队 |
噪声水平 |
传感原理 |
证明材料 |
本团队 |
0.25 ng/√Hz |
电容式 |
ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 8 IEEE Access, 2019, 7, pp. 153650-9 |
英国帝国理工 |
0.25 ng/√Hz |
电容式 |
IEEE MEMS 2018, pp.113-116 |
美国计量院 |
32 ng/√Hz |
光学式 |
Optica 8 (3), 2021 |
英国剑桥大学 |
10 ng/√Hz |
谐振式 |
IEEE Inertial 2021, pp.1-4 |
清华大学 |
75 ng/√Hz |
谐振式 |
Sens. Actuators, A 325, 2021 |
中科院空天院 |
3 ng/√Hz |
电化学式 |
IEEE Sensor. J. 16 (3), 2015 |
西安交通大学 |
17 ng/√Hz |
电容式 |
Sens. Actuators, A 296, 2019 |
表2 量子增强型光学MEMS加速度传感器核心技术指标国内外对比
研究团队 |
年份 |
光学传感方式 |
量程 |
噪声水平 |
带宽 |
本团队 |
2023 |
F-P干涉 |
1 g |
10 ng/Hz1/2 |
500 Hz |
桑迪亚国家实验室 |
2008 |
光栅衍射 |
40 mg |
17 ng/Hz1/2 |
10 Hz |
英国Glasgow |
2016 |
挡光式 |
1 mg |
40 ng/Hz1/2 |
1 Hz |
美国Silcon Audio |
2019 |
光栅衍射 |
2 g |
3 ng/Hz1/2 |
100 Hz |
美国NIST |
2020 |
F-P干涉 |
1 mg |
32 ng/Hz1/2 |
6800 Hz |
【技术成熟度】
已有样品/样机。
【应用场景】
成果团队在高精度MEMS传感器的研制基础上通过进一步攻克高可靠结构、高可靠电路和高可靠工艺等难题，研制了三分量星载MEMS微震仪，于2020年5月搭载长征五号B遥一火箭成功发射并回收（微震仪返回后经复测正常），完成了我国新一代载人航天飞船试验船在轨微重力环境下的扰动加速度测量，任务执行期间成功监测到多个事件，包括货运飞船与载人飞船分离等。性能卓越，技术成熟度高。相应成果即将应用于我国嫦娥七号月球探测任务，未来将开展相关传感器和仪器的产业化推进。
图2 三分量星载MEMS微震仪应用案例
【知识产权】
该成果包括多项已授权中国发明专利。
【合作方式】
专利许可、专利转让、作价入股、技术开发、面谈等。
【联系方式】
CG23035
