應(yīng)用領(lǐng)域及背景

Nano-g（10-9g，1g≈9.81m/s2）級高精度加速度傳感對于實(shí)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(jī)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(jià)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。

成果原理

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(yàn)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(qiáng)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(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(yàn)船上進(jìn)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(zhǔn)量子極限噪聲，實(shí)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(jìn)，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?/p>

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

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?。本成果結(jié)合量子傳感的高靈敏度優(yōu)勢和先進(jìn)微納制造的小型化優(yōu)勢，實(shí)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。

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

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)與國內(nèi)外同類成果比較如下，具體技術(shù)指標(biāo)請與成果負(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

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)國內(nèi)外對比

技術(shù)成熟度

已有樣機(jī)

應(yīng)用場景

成果團(tuán)隊(duì)在高精度MEMS傳感器的研制基礎(chǔ)上通過進(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(yàn)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(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(jìn)。

圖2 三分量星載MEMS微震儀應(yīng)用案例

來源：中國科學(xué)院