CN105652334B - 一种基于位移差分的mems重力梯度仪 - Google Patents

一种基于位移差分的mems重力梯度仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于位移差分的MEMS重力梯度仪。包括第一振子单元和第二振子单元；前者包括第一外围框架和与第一外围框架通过第一组梁连接的第一检验质量，后者包括第二外围框架和与第二外围框架通过第二组梁连接的第二检验质量，第一组梁和第一检验质量构成第一机械振子，第二组梁和第二检验质量构成第二机械振子，第一振子单元和第二振子单元相向正对设置，第一机械振子和第二机械振子的敏感轴位于同一直线上，第一检验质量上的电容阵列与第二检验质量上的电容阵列构成位移检测电容，通过位移检测电容测得检验质量的位移差进而得到梯度信号。该梯度仪可靠性高，体积小，质量轻，并且能有效降低检测电路、信号处理单元和稳定平台的研发难度。

Description

一种基于位移差分的MEMS重力梯度仪
技术领域
本发明属于重力梯度测量技术领域，更具体地，涉及一种基于位移差分的MEMS重力梯度仪。
背景技术
地球重力场是地球的基本物理场之一，它的测量对于地球物理、地下勘探、军事应用等领域具有重要意义。重力梯度作为重力位的二阶导数，相对于直接测量重力加速度，重力梯度反映的是单位尺度上重力加速度的变化，在描述重力场细节方面有独特优势。它的精确测量在许多领域有着广泛的应用前景。
由于地球重力场的精确测量具有重大意义，重力梯度测量自70年代就得到了很大的关注与投入。随着研究的深入，重力梯度的测量方法不断出现。目前，比较成熟的重力梯度仪有旋转加速度计重力梯度仪、静电悬浮重力梯度仪、超导重力梯度仪等。旋转加速度计重力梯度仪是目前最成熟的梯度仪，已经投入商业使用数年。目前比较出名的是FALCON航空重力梯度测量系统和Air-FTG全张量梯度测量系统，它们的分辨率可以达到5-10E(1E＝10-9s-2)。静电悬浮重力梯度仪是另一种投入使用的梯度仪。2009年欧空局发射的GOCE卫星上搭载的正是这种梯度仪。实际在轨实测时，梯度Vxx、Vyy分辨率为Vzz分辨率约为超导重力梯度仪是一种极具发展前景的重力梯度测量系统。目前正在进行研发的主要有加拿大GEDEX公司的HD-AGG系统、英国ARKeX公司的EGG系统和澳大利亚西澳大学的VK1系统。这种基于Meissner效应的低温重力梯度仪设计分辨率可以达到此类梯度仪的体积和质量较大，对载体的载荷能力有较高的要求，在一些特殊情况下比较难以适用。
针对上述的缺陷，荷兰的Twente大学曾经提出过一种基于变间距式梳齿电容检测的MEMS重力梯度仪设计，然而由于制作难度较大，目前还没有能用于实际测量的MEMS重力梯度仪。上述重力梯度仪采用先分别测量加速度计输出再进行差分的方式(信号流程图如图1所示)，这种方式对两个加速度的噪声水平和量程跨度均有较高要求，实现起来都较为困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于位移差分的MEMS重力梯度仪，测量结果更加准确，可靠性高，且体积小，质量轻，对于载荷敏感的稳定平台和隔震平台的研发非常有利。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种MEMS重力梯度仪，其特征在于，包括由第一振子单元和第二振子单元组成的敏感单元；所述第一振子单元包括在同一硅片上加工得到的第一外围框架和与所述第一外围框架通过第一组梁连接的第一检验质量，所述第二振子单元包括在同一硅片上加工得到的第二外围框架和与所述第二外围框架通过第二组梁连接的第二检验质量，所述第一组梁和所述第一检验质量构成第一机械振子，所述第二组梁和所述第二检验质量构成第二机械振子，所述第一振子单元和所述第二振子单元相向正对设置，所述第一机械振子和所述第二机械振子的敏感轴位于同一直线上，所述第一检验质量上的电容检测阵列与所述第二检验质量上的电容检测阵列构成位移检测电容器。
优选地，工作时，所述第一机械振子和所述第二机械振子用于将梯度信号转化为所述第一检验质量和所述第二检验质量的位移信号，使所述第一检验质量和所述第二检验质量发生相对位移，带动所述第一检验质量上的电容检测阵列与所述第二检验质量上的电容检测阵列发生相对位移，使得所述第一检验质量上的电容检测阵列与所述第二检验质量上的电容检测阵列的正对面积发生变化，进而使所述位移检测电容器的电容发生变化，通过检测所述位移检测电容器的电容变化得到所述第一检验质量和所述第二检验质量的相对位移，进而得到梯度信号。
优选地，所述第一电容检测阵列的公共端引出至所述第一外围框架上作为所述第一振子单元的第一端口，所述第二电容检测阵列的公共端引出至所述第一外围框架上作为所述第一振子单元的第二端口，所述第三电容检测阵列的公共端引出至所述第二外围框架上作为所述敏感单元的信号输出端口，所述第二外围框架上还设有第一信号输入端口、接地端口和第二信号输入端口，所述第一振子单元和所述第二振子单元通过封装环键合在一起，所述第一信号输入端口与所述第一振子单元的第一端口连接，所述第二信号输入端口与所述第一振子单元的第二端口连接，所述第一信号输入端口和所述第二信号输入端口用于输入相位相反驱动信号，所述接地端口接地，用于进行信号屏蔽，所述MEMS重力梯度仪还包括与所述敏感单元的信号输出端口连接的信号检测电路，用于检测所述位移检测电容器的电容变化，并根据所述位移检测电容器的电容变化得到梯度信号。
按照本发明的另一方面，提供了一种MEMS重力梯度仪，其特征在于，包括在同一硅片上加工得到的第一振子单元和第二振子单元，所述第一振子单元的检验质量上设有第一电容检测阵列，所述第二振子单元的检验质量上设有第二电容检测阵列，所述第一电容检测阵列和所述第二电容检测阵列均为梳齿结构，在同一平面内相互啮合，构成位移检测电容；在所述MEMS重力梯度仪由梯度信号输入时，所述第一检验质量和所述第二检验质量发生相对位移，带动所述第一电容检测阵列和所述第二电容检测阵列发生相对位移，使得所述第一电容检测阵列和所述第二电容检测阵列的间距发生变化，进而使所述位移检测电容器的电容发生变化，通过检测所述位移检测电容器的电容变化得到所述第一检验质量和所述第二检验质量的相对位移，进而得到梯度信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：该重力梯度仪中的两个加速度敏感单元先进行位移差分，直接得到差分信号后再进行检测(信号流程图如图2所示)，不仅降低了对加速度计量程跨度的要求，而且消除了对后续信号检测及处理模块的一致性要求，使相关模块(如稳定平台、检测电路)的研制难度显著降低，此外，能有效地减小梯度仪的敏感单元的体积和质量，这对于载荷敏感的稳定平台和隔震平台的研发非常有利。
附图说明
图1是现有重力梯度仪的信号流程图；
图2是本发明的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的信号流程图；
图3是本发明实施例的变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的结构示意图；
图4是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元的振子单元的俯视结构简图，其中，(a)第一振子单元，(b)第二振子单元；
图5是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元剖面图；
图6是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元的第一振子单元的结构示意图；
图7是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元的第二振子单元的结构示意图；
图8是本发明实施例的变间距式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一振子单元，2-第二振子单元，3-信号检测电路，4-第一电容检测阵列，5-第二电容检测阵列，6-第三电容检测阵列，7-封装环，8-第一检验质量，9-第二检验质量，10-梁，11-第一端口、12-第二端口，13-梁，14-第一信号输入端口，15-接地端口，16-信号输出端口，17-第二信号输入端口，18-第一检验质量，19-第二检验质量，20-第一电容梳齿阵列，21-第二电容梳齿阵列。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图3所示，本发明实施例的变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪包括敏感单元和信号处理单元，其中，敏感单元包括第一振子单元1和第二振子单元2，信号处理单元包括信号检测电路3。
如图4(a)和4(b)所示，第一振子单元1和第二振子单元2通过深硅刻蚀技术对整个硅片进行加工得到，第一振子单元1包括第一外围框架和第一检验质量8，第一外围框架和第一检验质量8通过第一组梁10连接，第二振子单元2包括第二外围框架和第二检验质量9，第二外围框架和第二检验质量9通过第二组梁13连接。第一组梁10和第一检验质量8构成第一机械振子，第二组梁13和第二检验质量9构成第二机械振子，梁10和梁13的力学性质近似于弹簧，用于将待测梯度信号转化为第一检验质量8和第二检验质量9的位移信号，其在Z轴方向(与检验质量垂直的方向)的劲度系数非常大，以支撑起检验质量，而在X方向(与梁垂直且与检验质量平行的方向)的劲度系数较小，以提高测量加速度的灵敏度。第一机械振子和第二机械振子的主要作用是将梯度信号转化为第一检验质量和第二检验质量的位移信号，梯度仪工作时，第一外围框架或第二外围框架固定于工作台上，起保护和固定作用。
如图5至图7所示，第一振子单元1还包括设置在第一检验质量8上的第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5，第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5相互交错排列，第一电容检测阵列4的公共端引出至第一外围框架上作为第一振子单元1的第一端口11，第二电容检测阵列5的公共端引出至第一外围框架上作为第一振子单元1的第二端口12。第二振子单元2还包括设置在第二检验质量9上的第三电容检测阵列6，第三电容检测阵列6的公共端引出至第二外围框架上，作为敏感单元的信号输出端口16。第二振子单元2还包括设置在第二外围框架上的第一信号输入端口14、接地端口15和第二信号输入端口17。第一振子单元1和第二振子单元2相向正对设置，通过设置在第一外围框架和第二外围框架处的封装环7键合在一起，第一机械振子和第二机械振子的敏感轴位于同一直线上，第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5与第三电容检测阵列6构成位移检测电容器，第一信号输入端口14与第一端口11连接，用于输入驱动信号V，第二信号输入端口17与第二端口12连接，用于输入驱动信号-V，接地端口15接地，用于进行信号屏蔽，信号输出端口16与信号检测电路3连接。
下面对上述重力梯度仪的工作原理进行详细说明。
令第一振子单元1和第二振子单元2的质心间距为b。在重力场中，第一检验质量和第二检验质量会发生位移，然而由于重力梯度信号的存在，第一机械振子和第二机械振子感受到的加速度大小不一致，因而第一检验质量和第二检验质量的位移有差别。根据加速度与位移的关系得到梯度信号与位移差的关系为：
其中，Γxx为重力梯度信号的水平分量，ω0为第一机械振子和第二机械振子的共振频率，Δx1为第一检验质量的位移，Δx2为第二检验质量的位移。因此，通过检测第一检验质量和第二检验质量的位移差就能得到梯度信号。
通过第一信号输入端口14和第二信号输入端口17在第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5上施加相位相反的驱动信号，第三电容检测阵列6作为拾取极板，当重力梯度仪输入梯度信号时，第一检验质量8和第二检验质量9发生相对位移，带动第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5与第三电容检测阵列6发生相对位移，使得第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5与第三电容检测阵列6的正对面积发生变化，进而使位移检测电容器的电容发生变化。通过信号检测电路3检测电容变化便能得到相对位移，进而得到梯度信号。
更进一步地，如图3所示，信号处理单元还包括放大电路和反相电路，放大电路的输出端连接第一信号输入端口14，同时还通过反向电路连接第二信号输入端口17，用于为第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5提供相位相反的驱动信号。
上述变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪可通过如下方法制备得到：
(1)采用热氧化的方式使单晶硅片表面氧化，然后采用光刻以及湿法刻蚀的方式在其一面的绝缘层上制作出图形化的二氧化硅绝缘层；
(2)采用镀膜的方式在图形化的二氧化硅绝缘层上沉积AuSb//NiCr/Au，采用剥离或刻蚀的方式在需要的位置留下金属层，然后退火得到合适的欧姆接触；
(3)在欧姆接触之上沉积Cr/Ni/Au，采用剥离或刻蚀的方式在需要的位置留下金属层，从而得到金属屏蔽层；
(4)在金属屏蔽层上运用聚酰亚胺胶制作出第二层绝缘层，并利用光刻的办法使得聚酰亚胺胶图形化；
(5)在第二层绝缘层之上沉积Cr/Ni/Au，采用剥离或刻蚀的方式在需要的位置留下金属层，从而得到电容传感电路以及检测所需的引线；
(6)利用深硅刻蚀技术对整片硅片进行刻蚀，刻蚀深度为硅片的厚度；
(7)重复步骤(1)～(6)，制作出另一个振子结构；
(8)将制作出的两个振子结构通过回流焊的方式进行键合；
(9)对加工好的结构进行整体的封装。
在本发明的另一个实施例中，给出了一种变间距式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪，如图8所示。该梯度仪包括在同一硅片上加工得到的第一振子单元和第二振子单元，第一振子单元的第一检验质量18上设有第一电容检测阵列20，第二振子单元的第二检验质量19上设有第二电容检测阵列21，第一电容检测阵列20和第二电容检测阵列21均为梳齿结构，在同一平面内相互啮合，构成位移检测电容器。当重力梯度仪输入梯度信号时，第一检验质量18和第二检验质量19发生相对位移，带动第一电容检测阵列20和第二电容检测阵列21发生相对位移，使得第一电容检测阵列20和第二电容检测阵列21的间距发生变化，进而使位移检测电容器的电容发生变化。通过信号检测电路检测电容变化便能得到相对位移，进而得到梯度信号。
上述变间距式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪可通过如下方法制备得到：
(1)取一单晶硅片在其上采用热氧化的方式使其表面氧化，然后采用光刻以及湿法刻蚀的方式在其一面的绝缘层上制作出图形化的二氧化硅绝缘层；
(2)在氧化后的硅片之上沉积Cr/Ni/Au，采用剥离或刻蚀的方式在需要的位置留下金属层，从而得到信号线以及键合点；
(3)利用深硅刻蚀技术对整片硅片进行刻蚀，制作得到振子结构；
(4)取一片SOI利用深硅刻蚀技术对器件层进行刻蚀，制作得到阵列梳齿结构及其支撑框；
(5)将刻蚀得到的阵列梳齿结构从SOI片上释放；
(6)将制作得到的阵列梳齿与振子结构进行键合，同时完成梳齿中电极部分与阵子结构上的信号线的电连接；
(7)去除阵列梳齿的支撑框，将阵列梳齿完全释放；
(8)对加工好的结构进行整体的封装。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种MEMS重力梯度仪，其特征在于，包括由第一振子单元和第二振子单元组成的敏感单元；所述第一振子单元包括在同一硅片上加工得到的第一外围框架和与所述第一外围框架通过第一组梁连接的第一检验质量，所述第二振子单元包括在同一硅片上加工得到的第二外围框架和与所述第二外围框架通过第二组梁连接的第二检验质量，所述第一组梁和所述第一检验质量构成第一机械振子，所述第二组梁和所述第二检验质量构成第二机械振子，所述第一振子单元和所述第二振子单元相向正对设置，所述第一机械振子和所述第二机械振子的敏感轴位于同一直线上，所述第一检验质量上的电容检测阵列与所述第二检验质量上的电容检测阵列构成位移检测电容器；
工作时，所述第一机械振子和所述第二机械振子用于将梯度信号转化为所述第一检验质量和所述第二检验质量的相对位移信号，使所述第一检验质量和所述第二检验质量发生相对位移，带动所述第一检验质量上的电容检测阵列与所述第二检验质量上的电容检测阵列发生相对位移，使得所述第一检验质量上的电容检测阵列与所述第二检验质量上的电容检测阵列的正对面积发生变化，进而使所述位移检测电容器的电容发生变化，通过检测所述位移检测电容器的电容变化得到所述第一检验质量和所述第二检验质量的相对位移，进而得到梯度信号。
2.如权利要求1所述的MEMS重力梯度仪，其特征在于，所述第一检验质量上的电容检测阵列的公共端引出至所述第一外围框架上作为所述第一振子单元的第一端口，所述第二检验质量上的电容检测阵列的公共端引出至所述第一外围框架上作为所述第一振子单元的第二端口，第三电容检测阵列的公共端引出至所述第二外围框架上作为所述敏感单元的信号输出端口，所述第二外围框架上还设有第一信号输入端口、接地端口和第二信号输入端口，所述第一振子单元和所述第二振子单元通过封装环键合在一起，所述第一信号输入端口与所述第一振子单元的第一端口连接，所述第二信号输入端口与所述第一振子单元的第二端口连接，所述第一信号输入端口和所述第二信号输入端口用于输入相位相反驱动信号，所述接地端口接地，用于进行信号屏蔽，所述MEMS重力梯度仪还包括与所述敏感单元的信号输出端口连接的信号检测电路，用于检测所述位移检测电容器的电容变化，并根据所述位移检测电容器的电容变化得到梯度信号。
3.一种MEMS重力梯度仪，其特征在于，包括在同一硅片上加工得到的第一振子单元和第二振子单元，所述第一振子单元的检验质量上设有第一电容检测阵列，所述第二振子单元的检验质量上设有第二电容检测阵列，所述第一电容检测阵列和所述第二电容检测阵列均为梳齿结构，在同一平面内相互啮合，构成位移检测电容；在所述MEMS重力梯度仪由梯度信号输入时，所述第一振子单元的检验质量和所述第二振子单元的检验质量发生相对位移，带动所述第一电容梳齿阵列和所述第二电容梳齿阵列发生相对位移，使得所述第一电容梳齿阵列和所述第二电容梳齿阵列的间距发生变化，进而使所述位移检测电容器的电容发生变化，通过检测所述位移检测电容器的电容变化得到所述第一振子单元的检验质量和所述第二振子单元的检验质量的相对位移，进而得到梯度信号。
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