NASA 开发基于高强度碳纳米管带的 MEMS 加速度计与陀螺仪
NASA 马歇尔航天飞行中心设计了两款微机电系统(MEMS)运动位置传感器:单轴加速度计和陀螺仪。设计利用高度对齐的多壁碳纳米管(MWCNT)带与 P(VDF-TrFE) 基质,该材料机械坚固且具优异压电特性,作为感测与驱动元件。
得益于碳纳米管处理工艺近期改进,产出更长、更高度对齐的 CNT,使其在陀螺仪中应用成为可能。使用 CNT 让加速度计和陀螺仪更坚固耐用,且不增加体积重量。相比硅(Si)和石英传感器,最大优势是制造更易,无需机加工。
NASA 加速度计旨在解决传统压电陶瓷基加速度计(如钛酸钡 BaTiO₃ 或钛酸铅 PZT)的短板:这些材料脆性大、噪声高、难感知低频、易因静电积累影响极化、且体积大、成本高。NASA 创新的独特之处在于采用碳纳米管/P(VDF-TrFE) 带作为驱动和感测元件。
新加速度计作为弹簧-质量系统:可动质量块位于两固定壁之间,两侧各连一条 CNT 带。外力作用下质量块沿单轴位移。一条带作为驱动器阻尼运动,另一条感测位移。
单轴加速度计可单独使用,也可作为双轴陀螺仪基础。CNT 带在陀螺仪中作为振动元件。NASA 陀螺仪设计涵盖三种构型:CNT 带缠绕导电转子、CNT 带与压电材料分层成转子形状、压电喷涂 CNT 带作转子。
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