應用領域及背景

Nano-g（10-9g，1g≈9.81m/s2）級高精度加速度傳感對于實現長航時導航、智能交通、資源勘探和災害預警等領域具有重要意義，相關高端加速度傳感器和儀器更是具有百億級國內市場，但是85%的國內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，如果能有相關的國產高端低價加速度傳感器與精密測量儀器面世，將會改變現有的市場格局，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過應用驗證的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的Nano-g級光學微加速度傳感器。

前者采用硅基微納加工工藝，可實現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技術指標屬于在國際上并跑狀態(tài)，并已經成果搭載長征五號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)境測量應用，性能卓越，技術可靠，成熟度高。

后者采用量子精密傳感相關技術，采用光學方案作為信號讀出手段，有望突破標準量子極限噪聲，實現更高精度和靈敏度的探測。目前相關技術指標在世界上處于領跑狀態(tài)，技術先進，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)造性與先進性

基于光電器件的量子傳感和量子精密測量技術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壟斷，對智能交通、能源開發(fā)和災害預警等相關領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

本成果所涉及的電容式和量子增強型光學MEMS加速度傳感器技術指標與國內外同類成果比較如下，具體技術指標請與成果負責人聯系。其中，電容式MEMS加速度傳感器與國際領先水平持平，處于并跑；量子增強型光學MEMS加速度傳感器技術指標體系處于國際領先水平，屬于領跑。

表1 電容式MEMS加速度傳感器核心技術指標國內外對比

表2 量子增強型光學MEMS加速度傳感器核心技術指標國內外對比

技術成熟度

已有樣機

應用場景

成果團隊在高精度MEMS傳感器的研制基礎上通過進一步攻克高可靠結構、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（微震儀返回后經復測正常），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，技術成熟度高。相應成果即將應用于我國嫦娥七號月球探測任務，未來將開展相關傳感器和儀器的產業(yè)化推進。

圖2 三分量星載MEMS微震儀應用案例

來源：中國科學院