[發明專利]一種MEMS重力儀

有效

• 申請號: 201710461918.X
• 申請日: 2017-06-19
• 公開（公告）號: CN107092038B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 涂良成;唐世豪;劉金全;范繼
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01V7/02
• 分類號: G01V7/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春;曹葆青

本發明公開了一種MEMS重力儀；包括：振子單元，位移傳感結構，位移檢測電路，腔體和水平調節基座；振子單元設置在腔體的內部，振子單元包括：負剛度彈簧、正剛度彈簧、檢驗質量和外框；檢驗質量通過正剛度彈簧和負剛度彈簧與外框相連，且正剛度彈簧與負剛度彈簧關于檢驗質量對稱設置，外框與腔體固聯；位移傳感結構設置在檢驗質量的表面，位移檢測電路用于檢測位移傳感結構的位移信號；振子單元通過正負剛度彈簧的匹配實現本征頻率的降低；通過檢測檢驗質量的位移進而檢測重力加速度的變化。MEMS重力儀穩定性高，體積小，質量輕，能夠有效地降低生產成本，并且能有效降低信號檢測單元和穩定平臺的研發難度。

技術領域

本發明屬于重力測量技術領域，更具體地，涉及一種MEMS重力儀。

背景技術

重力儀是一種測量重力加速度的儀器，在地球物理、地下資源勘探等領域具有十分重要的意義。目前重力儀主要可以分為兩類：一類是絕對重力儀，一類是相對重力儀。絕對重力儀以Micro-g&LaCoste公司的FG5-X為代表，它通過非常精確地測量真空中物體下落的位置與時間關系來測量絕對的重力加速度大小。它的精度非常高，準確度可以達到2μGal/√Hz，精確度達到15μGal/√Hz(1Gal＝1cm/s²)。但是整個儀器也十分巨大，總重量達到150kg，總體積達到1.5m³。它的價格更是十分昂貴，達到幾百萬人民幣。

相對重力儀相對于絕對重力儀而言，它不測量重力加速度的絕對值，只是測量重力加速度的變化量。目前相對重力儀通常是基于由檢驗質量、彈簧、外框構成的振子單元來檢測重力加速度變化。工作中，重力儀處在重力環境中，檢驗質量受到的重力與彈簧形變產生的彈力達到平衡，檢驗質量處于某一個平衡位置；當重力儀所處環境的重力加速度發生變化時，彈簧形變會隨之變化使彈簧產生的彈力與重力達到新的平衡，使檢驗質量發生位移達到一個新的平衡位置。檢測檢驗質量的這一位移就可以檢測到重力加速度的變化。加速度變化和檢驗質量的位移關系可以表示為：

Δx＝Δa/ω₀²

Δx為檢驗質量位移，Δa為重力加速度變化，ω₀為振子單元的本征頻率。為了使振子單元對于加速度變化更加敏感，振子單元的本征頻率需要盡可能地低。這就意味著需要振子單元的彈簧盡量軟，或者檢驗質量盡量大。

為了實現在重力場(重力加速度記為g，大約為9.8m/s²)中，測到百ng量級(1ng＝10^-9g)的重力加速度變化，“零長彈簧”的結構被廣泛應用到相對重力儀中，使得振子單元能夠在承受1g重力作用的同時對于重力加速度變化很敏感。目前，商用的相對重力儀基本上都是基于這一思想設計制作的。例如Scintrex公司的CG6型相對重力儀，它就利用了熔融石英制作的零長彈簧進行重力測量，它的質量達到5.2kg，測量的標準重復度達到5μGal。但是，它的價格依然十分昂貴，達到上百萬人民幣。

微機電系統(MicroelectromechanicalSystem，MEMS)隨著微電子技術的發展越來越成熟，不斷地被應用到各個領域。在儀器小型化、制作成本控制等方面，有著獨特的優勢。目前，商用的MEMS加速度計已經被廣泛應用在汽車、智能手機、機器人等領域。商用MEMS加速度計也優化到了較高的精度，例如INOVA公司的ML21型的MEMS加速度計精度可以達到42ng/√Hz，SERCEL公司的DSU1 508型號MEMS加速度計精度為15ng/√Hz。但是目前已有的MEMS加速度計的測量精確度和穩定度仍然達不到重力儀的需求。

英國的Glasgow大學曾經報道過一種基于“geometricanti-spring”的MEMS重力儀。他們借助“geometricanti-spring”的設計，將MEMS振子單元的本征頻率做到很低，使得它對于加速度的變化十分敏感。根據報道，它的測量精度達到40μGal/√Hz，零漂達到140μGal/day。

發明內容