本發(fā)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(huán)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(huán)境的重力加速度發(fā)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(fā)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(tǒng)(microelectromechanicalsystem，mems)隨著微電子技術的發(fā)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(yōu)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(yōu)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dsu1508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(wěn)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。

技術實現要素：

針對現有重力儀上的缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種mems重力儀，能夠實現高精度、高穩(wěn)定性的重力測量，同時使重力儀的體積和質量都得到有效地減小，制作成本也能得到有效地限制。

為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種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(jié)基座；所述振子單元設置在所述腔體的內部，所述振子單元包括：負剛度彈簧、正剛度彈簧、檢驗質量和外框；所述檢驗質量通過所述正剛度彈簧和所述負剛度彈簧與所述外框相連，且所述正剛度彈簧與所述負剛度彈簧關于所述檢驗質量對稱設置，所述外框與所述腔體固聯(lián)；所述位移傳感結構設置在所述檢驗質量的表面，所述位移檢測電路用于檢測所述位移傳感結構的位移信號；所述水平調節(jié)基座設置在所述腔體底部，用于調節(jié)腔體的水平。

更進一步地，所述負剛度彈簧為彎曲的梁，所述梁的兩端固定，工作中檢驗質量的位移使得梁產生軸向伸縮且在所述梁的內部產生軸向力。

更進一步地，所述振子單元在1g重力作用下通過正、負剛度彈簧的剛度匹配有效地降低了等效剛度使得本征頻率小于5hz。

更進一步地，所述mems重力儀還包括：支撐結構，固定在所述腔體內部，且所述振子單元的外框固定在支撐結構的表面。

更進一步地，所述支撐結構為龍門結構，其材料為熱膨脹系數小于2.5ppm/℃的材料。

更進一步地，所述mems重力儀還包括：真空接口和真空模塊，所述真空接口設置在所述腔體表面，用于連接所述腔體與設置在所述腔體外部的所述真空模塊。

更進一步地，所述mems重力儀還包括：溫度控制模塊，設置于所述腔體內部，用于維持所述腔體內部溫度的穩(wěn)定

更進一步地，所述mems重力儀還包括：信號接口，設置于所述腔體的表面，用于將所述位移傳感結構的信號傳導至所述位移檢測電路。

本發(fā)明還提供了一種振子單元的mems加工方法，所述振子單元包括：負剛度彈簧、正剛度彈簧、檢驗質量和外框；所述檢驗質量通過所述正剛度彈簧和所述負剛度彈簧與所述外框相連，且所述正剛度彈簧與所述負剛度彈簧關于所述檢驗質量對稱設置；其特征在于，所述mems加工方法包括下述步驟：

(1)通過光刻工藝將振子單元的外框、負剛度彈簧、檢驗質量和正剛度彈簧的圖形掩膜轉移至硅片表面；

(2)利用深反應離子刻蝕(drie)工藝對所述硅片進行一體刻蝕并獲得所述振子單元中間件；

(3)利用濕法腐蝕工藝將所述振子單元中間件中不需要的結構去除后獲得所述振子單元。

本發(fā)明還提供了一種三軸重力儀，包括三個振子單元，三個振子單元所處的平面均與水平面成一定夾角，例如60°或者其它角度，三個振子單元所處的平面兩兩相互之間成一定夾角，例如120°或者其它角度；每個振子單元包括：負剛度彈簧、正剛度彈簧、檢驗質量和外框；所述檢驗質量通過所述正剛度彈簧和所述負剛度彈簧與所述外框相連，且所述正剛度彈簧與所述負剛度彈簧關于所述檢驗質量對稱設置。

本發(fā)明還提供了一種重力梯度儀，兩個相同的上述重力儀在空間上分開一定距離放置，測量重力儀所在的重力加速度，對所測得的重力加速度進行差分除以上述空間兩點的距離，可以測量重力場的重力梯度，構成一個重力梯度儀。采用一對或者多對上述單軸重力儀組合可分別構成部分張量重力梯度儀或者全張量重力梯度儀。

總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：

(1)振子單元在承受一定重力作用下，本征頻率可以達到5hz及以下，在相同的位移檢測精度的基礎上，可以實現更高精度的加速度檢測；

(2)振子單元使用近乎完美晶格結構的單晶硅通過mems技術一體加工得到，避免了金屬材料的蠕變等問題，同時避免了傳統(tǒng)加工中不同器件間連接點不穩(wěn)定的問題，使得振子單元可以實現更好的穩(wěn)定性；

(3)振子單元可以制作小到20×20×0.5mm以內，使得整個儀器的體積與重量都有了縮小的潛力，使得儀器可以更加便攜，同時降低了動基座重力儀的研發(fā)難度；

(4)振子單元借助mems技術的批量生產能力，可以有效地降低儀器的生產成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的mems重力儀的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的低本征頻率振子單元結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的低本征頻率振子單元結構的力-位移曲線；

圖4是傘狀固聯(lián)的三軸重力儀示意圖；

圖5是根據設計加工出來的加速度計的本征頻率隨著載荷的變化曲線。

圖6是通過兩個相同的上述三軸重力儀組成的重力梯度儀。

在所有附圖中，x軸表示水平方向，y軸表示重力方向，g表示重力加速度，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1為第一振子單元，2為位移傳感結構，3為信號接口，4為位移檢測電路，5為真空接口，6為真空模塊，7為腔體，8為溫度控制模塊，9為第一支撐結構，10為水平調節(jié)基座，11為外框，12為負剛度彈簧，13為檢驗質量，14為正剛度彈簧，15、16、17為結構相同的第二振子單元，18為第二支撐結構，19為支架。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及兩個實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供了一種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(jié)基座；其中，振子單元包括：負剛度彈簧、正剛度彈簧、檢驗質量和外框；位移傳感結構位于上述檢驗質量表面，它的信號由位移檢測電路檢測記錄；振子單元安裝在腔體內部，其外框與腔體固聯(lián)；水平調節(jié)基座安裝在腔體底部，調節(jié)腔體的水平。

工作中，重力儀處在重力環(huán)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；重力儀所處環(huán)境的重力加速度發(fā)生變化時，彈簧形變會隨之變化使彈簧產生的彈力與重力平衡，使檢驗質量發(fā)生位移達到一個新的平衡位置。位移傳感結構將檢驗質量的這一位移轉化為某種可以檢測的物理量(例如電容、光強等)，位移檢測電路通過檢測這一物理量檢測得到檢驗質量的位移進而檢測到重力加速度的變化。

在本發(fā)明實施例中，振子單元中檢驗質量通過正剛度彈簧和負剛度彈簧與外框相連，正、負剛度彈簧關于檢驗質量對稱設置。正剛度彈簧通過與負剛度彈簧的匹配可以有效地減小等效剛度，進而使振子單元的本征頻率降低，使得振子單元對于加速度的變化更加敏感。本征頻率可以有效地降低到5hz及以下，理論上可以降低到任意頻率。

在本發(fā)明實施例中，為了減小重力儀外界的溫度變化對振子單元的影響，mems重力儀還包括：支撐結構，它固定在腔體內部，同時振子單元的外框固定在支撐結構的表面。選擇熱膨脹系數小于2.5ppm/℃的材料，制作成龍門結構，為振子單元提供支撐的同時，減小外界溫度變化對于振子單元的影響。

在本發(fā)明實施例中，為了減小腔體內氣流對振子單元的影響，mems重力儀還包括：真空接口和真空模塊，真空接口在腔體表面，連接腔體與真空模塊。通過真空模塊維持腔體真空環(huán)境，真空度維持在1pa以下，真空度變化小于1％。真空環(huán)境不僅減小了氣流對振子單元的影響，同時起到被動隔熱作用，有利于腔體內部溫度的穩(wěn)定。

在本發(fā)明實施例中，為了溫度變化對振子單元的影響，mems重力儀還包括：溫度控制模塊，位于腔體內部，維持腔體內部溫度的穩(wěn)定。通過閉環(huán)控制維持腔體穩(wěn)定在一個固定的溫度，溫度變化小于10^-2℃。

在本發(fā)明實施例中，當位移傳感結構需要與位移檢測電路進行有線連接時；mems重力儀還包括：信號接口，位于腔體表面。主要是將位移傳感結構的信號傳導到位移檢測電路。

在本發(fā)明實施例中，可以通過三個相同上述低本征頻率的振子單元通過傘狀形式固聯(lián)構成三軸重力儀。

在本發(fā)明實施例中，將整個重力儀安置在穩(wěn)定平臺上，可以實現動基座重力測量。

在本發(fā)明實施例中，可以把兩個相同的上述重力儀放置在兩個位置，分別測量兩個位置的重力加速度，進而測量重力梯度。更進一步，采用多對相同的重力儀組合放置，可以構成全張量重力梯度儀，進而實現重力梯度的所有張量分量測量。

為了跟進一步的說明本發(fā)明實施例提供的mems重力儀，現結合附圖以及具體實例詳述如下：

本發(fā)明第一實施例提供了一種單軸mems重力儀的結構如圖1所示；單軸mems重力儀包括第一振子單元1、位移傳感結構2、信號接口3、位移檢測電路4、真空接口5、真空模塊6、腔體7、溫度控制模塊8、第一支撐結構9和水平調節(jié)基座10。第一振子單元1的外框11通過第一支撐結構9與腔體7固聯(lián)。固聯(lián)在第一振子單元1檢驗質量13表面的位移傳感結構2通過信號接口3與位移檢測電路4相連。溫度控制模塊8安裝在第一支撐結構9表面，在第一振子單元1的附近；腔體7通過真空接口5和真空模塊6相連。水平調節(jié)基座10安裝在腔體7的底面。

第一振子單元1在1g重力作用下可以達到非常小的本征頻率，小于5hz，進而構成一個單軸的mems重力儀。第一振子單元1結構示意圖如圖2所示，第一振子單元1中檢驗質量13通過負剛度彈簧12、正剛度彈簧14與外框11相連。敏感軸沿著y軸方向，即重力g方向。

負剛度彈簧12在沒有載荷時是一種彎曲的兩端固定的梁。第一振子單元1處于水平狀態(tài)時，負剛度彈簧12的形狀是一種對稱的曲線。它的彎曲形狀有很多種設計，例如余弦曲線形式、“v”字形等。以余弦曲線形式為例，它的彈力-位移曲線如圖3中虛線所示，橫軸表示檢驗質量的歸一化的位移，沿著+y方向為正值；縱軸表示彈簧的歸一化的彈力，沿著-y方向為正值。當檢驗質量13沿著+y方向發(fā)生位移時，余弦曲線形式的負剛度彈簧12會產生沿著-y方向的彈力，即如區(qū)域i所示：位移增大，彈力也會增大直至正向最大值。檢驗質量13的位移繼續(xù)增大，彈力會從正向最大值開始下降直至為0，甚至開始沿著+y方向增大直至負向最大值，即如區(qū)域ii所示，這就是本發(fā)明中利用到的負剛度區(qū)域。這一現象產生的原因是負剛度彈簧12由于兩端固定使得檢驗質量13的位移會導致梁的軸向伸縮在梁的內部產生軸向力，檢驗質量13的位移到一定位置后會開始向外做功，產生負剛度。檢驗質量13的位移繼續(xù)增大，彈力會從負向最大值開始沿著-y方向增加，即如區(qū)域iii所示。

正剛度彈簧14是一種常用的折疊梁，它的彈力-位移曲線如圖3點劃線所示。隨著檢驗質量13位移增大，正剛度彈簧14彈力會線性增大。兩個彈簧組合的等效力-位移曲線如圖3中實線所示，它們的等效剛度在區(qū)域ii實現了有效地降低。通過調節(jié)負剛度彈簧12和正剛度彈簧14的形狀或者幾何參數，例如梁的長度、寬度以及負剛度彈簧12彎曲的幅度等，可以使得負剛度彈簧12的負剛度與正剛度彈簧14的正剛度的絕對值接近，正、負剛度抵消可以得到一個等效剛度非常小的結構。等效剛度為正值時，振子單元仍然是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，可以進行開環(huán)檢測；等效剛度為負值時，系統(tǒng)不穩(wěn)定，檢驗質量13容易發(fā)生跳變，需要增加反饋執(zhí)行機，進行閉環(huán)控制，使得檢驗質量13穩(wěn)定在區(qū)域ii中一個固定的位置。同時，調節(jié)檢驗質量13的質量，使得第一振子單元1在1g重力加速度作用下，平衡位置位于圖3中的區(qū)域ii.此外，這一種對稱設計對于振子單元的其他振動模態(tài)有較好的抑制作用。

上述振子單元1可以使用單晶硅利用mems加工工藝制作得到，主要需要用到的工藝有：圖形化轉移、刻蝕、釋放等。加工步驟如下：(1)通過光刻，將設計的振子單元1的外框11、負剛度彈簧12、檢驗質量13和正剛度彈簧14圖形掩膜轉移到硅片表面；(2)利用深反應離子刻蝕(drie)對硅片進行刻蝕，一體刻蝕出振子單元1；(3)利用濕法腐蝕去除不需要的結構，把振子單元釋放出來。通過這樣的一體加工方式，避免了機械連接結構，消除了連接結構不穩(wěn)定的問題。

位移傳感結構2通過一定的加工方法，制作在第一振子單元1的檢驗質量13的表面。位移傳感結構2通過信號接口3與位移檢測電路4相連。一種可行的方案是制作出電容位移傳感器。在第一振子單元1的檢驗質量13表面制作一些電容極板作為動極板，動極板的正上方固定有定極板。檢驗質量13產生位移時，動極板隨著位移，動極板與定極板間的電容變化。信號接口3使用真空匹配的陶瓷電極。位移檢測電路4相應的設計為電容檢測電路，檢測這一電容變化，可以檢測到檢驗質量13的位移。整個位移檢測精度可以達到nm量級甚至pm量級。

第一支撐結構9是將第一振子單元1中的外框11與腔體7固聯(lián)的結構，可以使用熱膨脹系數特別小的微晶玻璃制作成龍門結構。第一支撐結構9提供一個熱不敏感的支撐，使得第一振子單元1與腔體7之間不易產生位移，同時對腔體的溫度變化有一定的隔離作用。

溫度控制模塊8安裝在第一支撐結構9的表面，對第一振子單元1進行溫度控制。通過熱敏電阻和加熱器構成閉環(huán)反饋控制環(huán)路，使得第一振子單元的溫度變化控制在10^-3℃以內。

腔體7通過真空接口5與真空模塊6相連，構成一個真空系統(tǒng)，為第一振子單元1、位移傳感結構2等提供一個穩(wěn)定的真空環(huán)境。真空接口5使用cf16型接口，真空模塊6使用離子泵進行真空維持，使得腔體7真空度維持在小于10^-4pa。

水平調節(jié)基座10安裝在腔體7的底面，用于調節(jié)水平，使得第一振子單元1的敏感軸重力方向相同。

工作時，通過水平調節(jié)基座10使重力儀敏感軸與重力方向重合。腔體7、真空接口5、真空模塊6使得腔體7真空度維持在小于10^-4pa。溫度控制模塊8通過閉環(huán)控制溫度，使得腔體7內部溫度維持在某一溫度，溫度變化小于10^-3℃。整個儀器處于重力場中，第一振子單元1的檢驗質量13受到重力作用，第一振子單元1的負剛度彈簧12和第一振子單元1的正剛度彈簧14發(fā)生形變，產生彈性力，使得檢驗質量13在上述等效剛度很小的區(qū)域ii中某一位置平衡；當重力加速度變化時，負剛度彈簧12和正剛度彈簧14的形變會隨之變化使彈簧產生的彈力與重力平衡，使檢驗質量13發(fā)生位移達到一個新的平衡位置。檢驗質量13位移使得上面的電容式位移傳感結構2的電容發(fā)生變化，這一電容變化通過信號接口3傳到位移檢測電路4,位移檢測電路4檢測這一電容變化，進而檢測到檢驗質量13的位移，進而檢測到重力場的重力加速度變化。

本實施例，通過正、負剛度彈簧的匹配有效降低振子單元的本征頻率，增大了加速度轉換為位移的系數，在位移檢測精度一定的情況下，有效地提高了加速度的檢測精度。振子單元利用單晶硅通過一體加工得到，減少了機械連接點，有效提高了結構的穩(wěn)定性。同時，真空模塊、支撐結構、溫度控制模塊為振子單元和位移傳感結構等檢測單元提供了一個氣壓穩(wěn)定、溫度穩(wěn)定的環(huán)境，使得儀器精度、穩(wěn)定性都可以有效地提升。

本發(fā)明第二實施例提供的一種三軸重力儀敏感結構如圖4所示。相同的三個第二振子單元15、16、17安裝在第二支撐結構18的表面。第二支撐結構18是一個由熱膨脹系數很小的微晶玻璃制成的凸臺。相同的三個第二振子單元15、16、17所處的平面與水平面成一定的夾角，例如60°，相同的三個第二振子單元15、16、17所處的平面相互構成一定夾角，例如120°。這樣在第二振子單元15、16、17敏感軸方向重力的分量為g·sin60°。這樣的設計可以通過三個第二振子單元15、16、17測得重力加速度在三個方向的分量，實現重力加速度的矢量測量。

第二振子單元15、16、17結構與第一振子單元1結構類似。以第一振子單元1的結構為例說明，通過調節(jié)負剛度彈簧12和正剛度彈簧14的形狀或者幾何參數，例如梁的長度、寬度以及負剛度彈簧12彎曲的幅度等，可以使得負剛度彈簧12的負剛度與正剛度彈簧14的負剛度的絕對值接近，正負剛度抵消可以得到一個等效剛度非常小的結構；同時，調節(jié)檢驗質量13的質量，使得第一振子單元1在g·sin60°重力加速度作用下，平衡位置位于圖3中的區(qū)域ii，通過這樣的設計可以得到第二振子單元15、16、17。

相應地，第二振子單元15、16、17的檢驗質量表面分別制作位移傳感結構2對檢驗質量進行位移檢測。

在第一實施例的基礎上，將其中的第一振子單元1以及第一支撐結構9換位為第二振子單元15、16、17和第二支撐結構18，信號接口3，位移檢測電路4相應地增加，可以制成一個三軸重力儀。

圖5根據上述設計思想制作的mems振子單元本征頻率隨著載荷加速度變化而變化的圖。從圖中可以看出，隨著載荷加速度的增加，振子單元的本征頻率不斷的下降，達到最低點后，又開始上升。這與圖3預期的趨勢非常一致。證明了本發(fā)明中振子單元設計方法是可行的。

在本發(fā)明實施例中，兩個相同的上述三軸重力儀空間上分開一定距離放置在一個支架19表面如圖6所示，可以組成一個重力梯度儀。重力梯度是重力加速度關于空間的導數，通過測量空間中兩個點的重力加速度，進行差分可以檢測得到重力梯度。重力梯度γ＝(g1-g2)/d，g1、g2分別是兩個上述三軸重力儀測到的所在位置的重力加速度，d是兩點的間距。同樣地，支架19使用熱膨脹系數特別小的微晶玻璃或者ule材料加工制作。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。