项目管理项目名称新型加速度传感器结构布局优化设计技术研究.docx

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项目管理项目名称新型加速度传感器结构布局优化设计技术研究

创业计划书

项目名称：

新型加速度传感器结构布局优化设计技术研究

所属单位：

长沙理工大学汽机学院

新型加速度传感器结构布局优化设计技术研究

团队名称：

梦路创业团队

所属高校：

长沙理工大学

团队介绍

梦路创业团队是来自理工大学汽车与机械工程学院的专业创业团队，现拥有研究生6人，博士1人，博士生导师1人，个人情况见附表1。

创业团队不怕吃苦，敢于拼搏，相信在不久的将来，我们会用自己的双手实现自己的创业梦想。

负责人简历

冯斌，男，1983年10生，中共党员，长沙理工大学汽机学院汽机学院07级载运工具运用工程专业研究生。

06年于长沙理工大学测控技术与仪器专业毕业，后工作于湖南九天科技有限公司从事汽车仪器仪表开发。

本科期间，努力学习，多次受到学校及湖南省奖励；在公司期间，研发团队获得公司明星团队称号。

进入研究生阶段，参与国家863项目两项，申请获得湖南省“大学生创新性实验项目”课题一项，目前在研。

指导老师简历

荣见华,男,1963年7月生,湖南岳阳人,博士,教授,汽车与机械工程学院副院长。

1989年3月进入中国飞机强度研究所工作。

1992年10月-2000年7月担任中国飞机结构强度研究所振动研究室副主任,1998年6月晋升研究员,2005年转评为教授。

长期从事飞机振动结构动力学设计、结构分析与优化设计、考虑多约束的机翼/外挂系统颤振优化设计等理论、算法和应用研究工作,参与了歼八三、歼十等型号飞机的研制工作。

1998.6～1999.7年，作为访问学者，在澳大利亚墨尔本皇家理工大学、维多利亚理工大学从事考虑动力学要求的结构形状、拓扑的渐进结构优化的研究工作。

主持与参加的多项部级预研项目均取得重大成果，作为主要参加者获国家科技进步二等奖一项。

作为主持人获部级科技进步二等奖一项。

2000年调入长沙理工大学,主要开展结构拓扑优化与静、动力学性能控制的研究工作。

近年来,作为主持人和主要参加者完成了国家自然科学基金二项,并主持完成了省部级重点研究项目二项。

主持开发了一套SVDS-I型优化软件系统。

在国内外期刊上发表论文共计53篇，其中二十一篇被SCI和EI收录。

专著一本、合编著一本。

在本课题中总体负责。

项目简介

立足于现有传感器的研发基础之上，采用项目组已经取得的研究成果，从工程实际出发，借助于国家863项目“大型复杂结构布局优化设计方法研究与软件开发”，我们有信心开发出一套结构更合理，性能更优越的产品。

本次设计的核心技术包括以下几个方面：

1.加速度传感器的弹性体等效模型建立

2.基于加速度传感器的结构及布局拓扑优化技术

3.实用新型结构

目前市面上的传感器主要存在就是缺少拓扑优化方法的介入，使得产品在性能方面没有太大的提升，而且结构相对比较笨重。

采用项目组的这些技术，会在很大程度上改善传感器的性能。

市场分析

据法国市场调研公司YoleDevelopment最近发表了两份关于惯性MEMS的报告，预测2008-2013年该市场的年增长率将为13%左右。

德国WichiTechnologieconsulting公司也预计：

未来几年加速度计在移动通信应用和消费电子领域的年增长率将超过30%，特别是在手机和便携式摄像机方面面应用前景较大。

下面是权威机构发布的MEMS产业数据：

图1MEMS市场规模图图2MEMS细分份额图

通过上图以及项目组进行的市场调研可知，MEMS器件的应用范围越来越广，但国内的MEMS产业才刚刚开始，还处于导入期阶段。

其存在的主要问题有：

（1）科技创新差，核心制造技术严重滞后于国外，拥有自主知识产权的产品少，品种不全，产品技术水平与国外相差15年左右。

（2）投资强度偏低，科研设备和生产工艺装备落后，成果水平低，产品质量差。

（3）科技与生产脱节，影响科研成果的转化，综合实力较低，产业发展后劲不足

因此，研制一款性能优良的加速度传感器绝对具有良好的市场应用前景。

竞争与竞争分析

1.国内

据资料统计，全国有1600多家企事业单位从事传感器和仪表元器件的研制、开发、生产，产品首先要面对这些生产厂家的竞争。

2.国外

由于国外在加速度计方面的研究起步较早，但是运用拓扑优化方法对加速度传感器进行设计的公司还比较少。

产品描述

一研究背景

加速度传感器是一种应用十分广泛的惯性传感器。

传统的加速度传感器大多为机械弹簧式，体积大、质量大、响应速度慢、测量精度低、成本高，应用场合受到很大限制。

而结构拓扑优化方法在拓展了加速度传感器的外形设计空间，并且可以综合解决产品的安全性和稳定性等问题，较全面符合结构设计安全高效的原则。

因此，应用拓扑优化设计方法进行加速度传感器设计具有极高的工程价值和应用价值。

二设计方法

拓扑优化方法目前已经发展得比较成熟，且在实践中得到广泛应用。

目前结构拓扑比较成熟的方法主要均匀化方法、变厚度法、变密度法、结构渐进优化法（ESO法）。

均匀化方法是连续体结构拓扑优化中应用最广的方法，属材料描述方式，其基本思想是在拓扑结构的材料中引入微结构，微结构的形式和尺寸参数决定了宏观材料在此点处的弹性性质和密度，优化过程中以微结构的尺寸作为拓扑设计变量进行设计。

变厚度法也是较早采用的拓扑优化方法，其基本思想是以基结构中单元厚度为拓扑设计变量，以设计结果中的厚度分布确定最优拓扑，是尺寸优化方法的直接推广。

变密度法引入一种假想的密度可变的材料，材料物理参数与材料密度间的关系也是人为假定的。

优化时以材料密度作为拓扑设计变量，这样结构拓扑优化问题被转换为材料的最优分布问题。

ESO方法通过将无效或低效的材料一步步去掉，获得优化拓扑，方法通用性好，可解决尺寸优化，还可同时实现形状和拓扑优化。

（a）载荷1

（b）载荷2

图3两端固支结构的初始设计域

项目采用的设计方法就是ESO方法中的一种，通过计算删除相对结构无用的单元，获得左右拓扑构型。

下面是几个采用拓扑优化设计方法设计的算例。

（a）X向应力云图

（b）Y向应力云图

图4结构的最优拓扑构型

图5L型梁的初始设计域

（a）X向应力云图

（b）Y向应力云图

图6结构的最优拓扑构型

三产品描述

加速度计按测量量不同分成两种，一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的；另一种就是线加速度计，线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡；按敏感机理分，主要有压阻式、电容式、压电式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、谐振式等形式。

压电式的加速度传感器如图7所示，其中S是弹簧，M是质块，B是基座，P是压电元

件，R是夹持环。

图7-a是中央安装压缩型，压电元件--质量块—弹簧系统在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。

图7-b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。

图7-c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。

加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。

由于压电元件的特性，压电加速度传感器的低频特性不好，不适合低频测量。

在后续的设计中，通过对压电式加速度传感器的本构方程进行处理，然后通过拓扑优化方法也可以改善它的性能。

图7压电式加速度传感器结构图

电容式加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的小变化转换为与其成正比的。

对于平板电容电容值

，其中，

为介质介电常数，

为极板正对面积，

为极板间垂直距离。

可见，电容式加速度传感器按工作原理可以分为变面积式、变间隙式和变介质式，多数是变间隙式的，其结构原理如图8所示：

图8电容式加速度传感器结构图

加速度传感器基本应用范围如表1。

表1加速度传感器应用范围

应用领域

应用范围

测量范围（

）

精度（

）

汽车安全

性能要求：

可靠、廉价、寿命长、抗恶劣环境

●改善对气囊的控制

●防止碰撞系统

●有源支撑

●防滑

200

100

50

100

10

1

2

0.5

消费电子

性能要求：

廉价、寿命长、体积小、功耗低

●由于计算机的空间指示器

●遥控器件

●摄像机的防止抖动补偿

●导航

●玩具和体育器材

100

100

50

50

不确定

1

2

0.5

0.5

不确定

工业

性能要求：

可靠、体积小、抗恶劣环境

●机器控制

●角振动测量

●飞行物体的姿态控制

●稳定平台

●机器人

10

不确定

20

20

10

0.01

不确定

0.02

0.2

0.01

医疗

性能要求：

可靠、体积小、功率低

●身体运动监视

●振动诊断

●对瘫痪病人的行动辅助

●手术器

●轮椅

100

50

100

20

50

1

0.5

2

0.1

0.2

四产品开发策略

由于电容式加速度传感器结构和制作工艺相对简单，有较高灵敏度，且相应的参考文献较多，故项目组决定首先对电容式加速度传感器进行性能改进。

1叉指式单轴电容式加速度传感器

目前市面上有的电容式加速度传感器结构主要为叉指式结构和三明治结构，由于

图9电容式加速度传感器初始设计域

叉指结构相对较简单，因此首先在叉指式传感器的基础上进行性能改进。

其初始设计域定义如图9所示，其中

为测量加速度引起惯性质量块振动所产生的等效力。

其中红色区域为不可设计区域，取已有的一些较好的设计参数，计算弹性梁的结构形式。

然后再根据梁的结构形式确定质量块和叉指结构的尺寸。

2新型三轴电容式加速度传感器

三轴电容式加速度传感器是目前的一个主要发展方向，以前的三轴加速度计只是简单地将三个加速度计组合起来构成三轴加速度传感器。

我们设计的三轴加速度传感器其结构形式具有相当高的新颖性，而且其检测电路也相对较为简单。

采用这种结构易于封装，电容工作区相对于梳齿式电容加速度传感器更加集中，便于进行加工制造，成本相对较低。

其初始设计域如图10所示。

图10三轴电容式加速度计初始设计域

如前所述，结构优化有三种优化方法，这里我们通过形状和尺寸优化来确定传感器的结构形式。

通过计算，我们得到初步结构形式，如图11所示。

（a）（b）（c）

图11加速度计初步结构形式

财务预测

预测前提：

所有数据都是以生产投建能力五千只传感器的能力为例。

一资金的筹集和运用分析

1筹资

此次项目的实施部分资金需要筹集。

资金来源主要有以下几个方面：

（1）自筹10%

（2）863项目支出35%

（3）创新基金15%

（4）大学生创新性实验项目课题支出5%

（5）吸引银行贷款35%

2资金投入

项目主要以研发为主，所需的原料、部分生产工艺诸如弹性元件的制作等，都是以直接采购或定做而得，而且可以利用一些项目组现有的资源，因此生产过程中不涉及固定资产的投入。

所以主要需要流动资金，初步预测流动资金需要占去启动资金的50%左右。

3无形资产投入

由于本项目是自行申请专利，所以不需要购买，无形资产不需要投入。

二成本、费用及收益分析

1产品成本分析

（1）构成该产品的主要原材料

由于项目的特殊性，需要购进组装工具，预计需要2万。

结构件的生产预计要花费40万。

（2）直接人员工资：

技术人员和组装人员全年工资总计28万

技术人员：

人数5人，1800元/人,共计10万

组装人员：

预计聘请工人10人，月工资实行基本工资加计件工资的形式，基本工资1000元/人，全年12万加上预计的计件工资6万。

（3）制造费用

生产用水费、电费以及租用动力设备费用预计需要5万。

（4）产品成本合计70万

2期间费用

（1）管理费用：

公司管理生产经营活动所需的费用，各种费用14万

租赁办公用房支付的租金4万

购买办公用品，支付人员差旅费，技术人员培训费5万

技术人员设计费用5万

（2）产品销售费用具体广告费，联系业务费10万

（3）期间费用合计24万

3产品销售利润

（1）产品销售收入440万；

（2）产品销售成本405.56万；（3）期间费用合计24万；（4）产品销售利润10.44万

产品销售利润=产品销售收入-产品销售成本-期间费用

三各种报表的预测

表2现金流量表单位：

万元

项目

第一季度

第二季度

第三季度

第四季度

全年总计

（1）期初现金

20

10.75

6.5

12.25

49.5

（2）经营现金收入

100

100

110

150

460

（3）经营现金支出

134.25

104.25

104.25

104.25

447

直接材料采购

50

50

50

50

200

委托定做预付款支付

70

40

40

40

190

直接人工费

7

7

7

7

28

制造费用

1.25

1.25

1.25

1.25

5

销售管理费用

6

6

6

6

24

（4）现金余缺

14.25

6.5

12.25

58

91

（5）资金筹措及运用

25

0

0

25

16

长期资金借款

25

25

25

25

25

利息

0

0

0

2.56

2.56

（6）期末现金余额

10.75

6.5

12.25

30.44

30.44

注：

（4）=

（1）+

（2）-（3）

（6）=（4）+（5）

假定每期预定收款在期初就能收到，每期预付款期初就能支付，利息在年度末支付

假定第一季度预付25%，以后各季度预付20%

表3预测利润表单位：

万元

主营业务收入

500

减：

主营业务支出

447

减：

主营业务税金及附加

0

贡献毛益总额

53

减：

管理费用

14

销售费用

10

财务费用

2.56

减应交所得税

0

净利润

26.44

注：

高科技企业，享有免二减三德税收优惠政策

表4预测资产负债表单位：

万元

资产

年初数

年末数

负债所有者权益

年初数

年末数

银行存款

20

30.44

负债：

预收账款

10

0

预付账款

0

0

长期借款

0

0

应收账款

0

60

所有者权益

0

0

原材料

100

40

实收资本

110

110

留存收益

0

26.44

合计

120

130.44

合计

120

130.44

四企业产品的成本、产量与利润关系分析

将成本化为固定成本与变动成本，本项目在投资生产过程中涉及的固定成本有：

组装工具、水电费、广告费、办公费及差旅费、培训费等合计为8万。

所涉及的变动成本又构成实体的原材料费用，工人工，销售人员佣金合计为25万。

预计年生产能力在一万只左右，年销售额1000万。

五企业获利能力分析

1销售收入利润率=营业总额/产品销售收入净额

=26.44/500

=5.3%

即公司每销售1元的该产品，可获得0.053元的利润，改指标反映了增加收入、提高绩效方面的能力。

2成本费用利润率=利润总额/成本费用总额

=26.44/（500+26.56）

=5%

即公司每销售1元的该产品，可以带来0.05元的利润，该指标揭示了公司的挖掘潜力，降低耗费、提高经济效益方面的经营绩效。

3总资产报酬率=税息前收益/全部资产平均余额

=（26.44+2.56）/（120+130.44）

=11%

营销组合策略

由于目标顾客比较广泛，需要采用多种渠道即宣传方式进行宣传，扩大需求量。

一产品策略

1产品定位策略

高效洁净的城市垃圾热解处理技术采用特殊设计的垃圾热解工艺，将未经处理的原

2产品策略的调整

（1）产品投入期：

为了使产品尽快被目标顾客接受，缩短市场投放时间，本公司采取快速掠取策略，即以高价格和高促销费用推出新产品，迅速占领市场

（2）产品成长期：

由于政府政策上的支持和鼓励，目标顾客对本公司的产品已经有一定的了解，由于会有很多的竞争者介入，因此项目组将会加大科研投入和科研开发，完善售后服务。

（3）产品成熟期：

在成熟期要继续巩固和完善市场，不能安于现状，不能仅采取单纯的防守性策略，而要采取进攻和防守并重的策略，具体如下：

市场开发策略：

重新为产品定位，以规模经济向中小城市进军。

营销组合策略：

综合运用定价、分销、促销等策略打入国际市场，必要时推出市场。

（4）产品衰退期：

审时度势，利用竞争优势，进行多元化投资和多元化经营，必要时退出市场。

3品牌与商标

（1）品牌是公司的主要促销工具，又能造成产品差别，帮助目标顾客辨认和识别产品。

一个良好的品牌，有助于扩大市场份额，树立良好的公司形象，因此本公司的品牌名称为“必拓”。

（2）商标是产品品牌的重要组成部分，能使顾客通过认识标记来确认产品的品质和生产者。

因此本公司将注册自己的商标，并采取统一商标策略，对商标进行严格的控制。

4质量和服务

质量和服务时产品的生命，是竞争力的源泉。

良好的质量和服务对公司赢得信誉，树立形象，占领市场和增加收益，具有决定意义。

因此我们会不断提高产品质量，完善售后服务，创品牌效应。

具体的服务项目如下：

（1）技术咨询服务

（2）技术培训服务

（3）维修服务

二定价策略

1定价目标

定价目标是为获取适当的市场份额，来实现利润最大化。

（1）设计产品属于技术创新型产品，营销数量多，因此定价较低。

（2）占领一定得市场份额，可以形成规模经济效应，以低成本获得高利润。

2定价导向

由于公司产品受到价格变化和竞争对手的影响比较大，所以决定采用竞争导向定价法，这样有助于我们根据竞争对手的情况来确立一个合适的价格。

3定价及价格调整

由竞争导向定价方法确定了加速度计的销售价格为：

1000元/只。

定价应根据不同的生命周期灵活决定，在产品的投入期，采取较高的价格。

在产品的成长期，要根据市场竞争情况适时确定定价策略。

三分销策略

由于目标顾客较分散的特点，因此我们决定采用分销商销售加零层分销渠道的方法进行销售，一部分产品通过分销商面对顾客，另一部分通过公司直接面对顾客。

1分销商销售有利于扩大公司的营销网络，通过分销商积累起来的销售网络对公司建立起来的销售网络进行补充。

2零层分销渠道有利于建立起自己的销售关系网络，通过网络中的关键人物去影响，说服潜在的顾客，消除其担忧，怀疑和害怕心理，从而进入所谓的“产品销售的良性循环”，不断扩大公司的市场份额。

3公司发展初期，目标市场主要在一些发达的城市及省会城市，相对比较集中而且交通便利，利于联系业务。

四促销策略

由于我们开发的是技术创新型产品，因此在促销策略上，首先且必须做到的是让目标顾客逐步了解并接受新技术，其次以大量的无可辩驳的事实说服目标顾客采用新技术。

这就要求我们综合运用促销组合出来，根据各生命周期的不同特点，有组织有选择地开展促销活动，以人员推销为主，其余促销方式相互配合，达到理想促销效果。

1人员推销

推销的目的是为了与目标顾客交流，促使他们使用我们公司的产品。

推销具有直接联系、机动灵活、反馈及时、选择性强等优点，有利于培养与目标顾客间良好的战略合作关系。

但是优秀的推销人员才是最重要的。

因此我们将严格选拔推销人员。

2广告

（1）广告目标：

在综合考虑企业发展战略规划、产品定位、企业迫切需要的前提下，我们确定：

准确、诚实的向顾客传递公司、产品信息，突出公司及产品优势，并在顾客群中树立良好形象，形成规模效应将是我们的广告目标，我们的广告策划亦将围绕该目标进行。

（2）广告媒介：

根据“5W媒介计划法”，通过媒体分配法、地理分配法、时间分配法、内容分配法和宣传阵势组合法，我们确定了如下的媒体广告宣传（相关策略列于表5中，括号内数据位各种媒体类别的分配百分数）。

（3）广告与产品的生命周期：

在产品的开发阶段，重点是要把产品告诉市场，让目标顾客了解并接受产品，说明使用该产品的好处。

一旦进入增长阶段，重点便由产品转向品牌，花更多的时间树立品牌形象，激发顾客对品牌的情感反应。

在成熟阶段，我们将用扩展战略来增加特色。

在产品的衰退阶段，如果该技术产品逐步被淘汰，我们公司将相应地增加替代技术的广告费用。

但这一切都以依赖于市场的发展情况，应具体情况具体分析。

媒体类别

媒体名称

广告形式

广告内容

广告对象

广告类别

印刷媒体（60%）

专业期刊（45%）

印刷广告

相关技术及产品的介绍

专门机构

考研院所

商业广告

专业广告

其它报刊、杂志（15%）

关于振动监测、振动危害的介绍

政府机关、行政部门普通用户

公益广告

电子媒体（20%）

Internet（20%）

Internet广告

相关技术及产品的介绍、公司介绍；关于振动监测、振动危害的公益广告

上网的机构、单位和普通用户

商业广告

专业广告

公益广告

其它媒体（20%）

邮寄（10%）

邮寄广告

相关技术及

产品的介绍

考研院所、专门结构、政府机关、行政部门

商业广告

专业广告

汽车（10%）

车体广告

公司标志及

形象宣传

公众

形象广告

3公共关系

（1）公共关系对象：

政府部门、相关科研部门（高校研究机构、专业科研院所）、新闻媒体、公众及公司内部员工。

（2）公关方案

公司出版内部刊物（必拓科技），促进公司内部各部门、员工之间的相互交流、并及时向各地政府机关、环保部门、权威机构等处赠阅，报道公司最新动态、科研动态、营销动态和运作情况。

本公司采用“季节攻势”，一年分为四个阶段进行主要的公关活动：

春季公关：

（每年1-3月）春节期间广告以喜庆祥和、迎合公众为主，多采用公益广告、贺岁广告的形式。

夏季公关：

（每年4-8月）重点采用技术广告、公关服务广告和传单。

秋季公关:

（每年7-9月）利用夏季公关的余温开展与科研机构、政府部门的公关，召开新技术发展交流会、学术研讨会等

冬季公关:

（每年10-12月）媒体公关，公司年终评价、评估和人事调整内部员工交流。

所有公关活动中，易于政府部门的交流为主，积极寻求政府、政策的支持，具体内容如下：

1）政府部门，积极建立与各城市主管部门间的良好合作关系，主动听取其意见和建议，争取得到政策上的支持和鼓励，树立良好的公司形象

2）科研部门，积极建立与各国科研部门间的联系，从各方面了解国内外市场的发展前景和发展动态，适时调整公司的发展方向和战略

3）公益活动，积极支持和赞助公益活动，树立公司在公众中的良好形象

4）权威部门，高等学府科研院所的权威机构，都是我们公司联系、争取和依靠的对象，因此我们要与其建立合作关系

5）公司内部，自我完善、自我发展，加强企业文化建设，让每一位职员愿意努力建设公司

总之，通过各种销售方式建立有效关系网络，使企业了解消费者的个性化需求，并以整个营销管理为出发点，以满足每个消费者的个性化需求为营销管理的目标，以大规模定制为手段恰好地满足每个消费者的不同需求，使所有消费者的满意程度达到最高，同时也使企业利润达到最大。

风险分析

做任何事