CN107505662B - 一种三轴mems重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三轴MEMS重力仪，包括：敏感探头、位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；敏感探头包括：两个第一振子单元、一个第二振子单元和支撑结构，第一振子单元的敏感轴与第二振子单元的敏感轴相互正交；第一振子单元包括：正摆结构、倒摆结构、第一检验质量和第一外框，第一检验质量通过正摆结构和倒摆结构与第一外框相连，第一外框与腔体固联；第二振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、第二检验质量和第二外框，第二检验质量通过正刚度弹簧和负刚度弹簧与第二外框相连，第二外框与腔体固联；位移传感结构设置在第一检验质量和第二检验质量的表面；位移检测电路用于检测位移传感结构的位移信号；水平调节基座用于调节腔体的水平。

Description

一种三轴MEMS重力仪

技术领域

本发明属于重力测量技术领域，更具体地，涉及一种三轴MEMS重力仪。

背景技术

重力仪是一种测量重力加速度的仪器，在地球物理、地下资源勘探等领域具有十分重要的意义。

目前重力仪主要可以分为两类：一类是绝对重力仪，一类是相对重力仪。绝对重力仪测量重力加速度的绝对值，以Microg公司的FG5为代表。相对重力仪相对于绝对重力仪而言，它不测量重力加速度的绝对值，只是测量重力加速度的变化量，以Scintrex公司的CG6型重力仪为代表。

目前相对重力仪通常是基于由检验质量、弹簧、外框构成的振子单元来检测重力加速度变化。工作中，重力仪处在重力环境中，检验质量受到的重力与弹簧形变产生的弹力达到平衡，检验质量处于某一个平衡位置；当重力仪所处环境的重力加速度发生变化时，弹簧形变会随之变化使弹簧产生的弹力与重力达到新的平衡，使检验质量发生位移达到一个新的平衡位置。检测检验质量的这一位移就可以检测到重力加速度的变化。加速度变化和检验质量的位移关系可以表示为：Δx＝Δa/ω₀ ²，Δx为检验质量位移，Δa为重力加速度变化，ω₀为振子单元的本征频率。为了使振子单元对于加速度变化更加敏感，振子单元的本征频率需要尽可能低。这就意味着需要振子单元的弹簧尽量软，或者检验质量尽量大。

目前的重力仪多是单个敏感轴的，然而，重力加速度是一个矢量，在进行重力加速度测量时，需要精密调节重力仪敏感轴的方向，使得重力仪的敏感轴与重力加速度的方向重合。

发明内容

针对现有重力仪多是单轴测量的问题本发明提供了一种三轴MEMS重力仪，能够实现对重力加速度的矢量测量，同时提出一种使重力仪的振子单元的本征频率降低的方法，利用MEMS制作工艺，体积和质量都得到有效地减小，制作成本也能得到有效地限制。

为实现上述目的，本发明提供了一种MEMS重力仪，包括：敏感探头、位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；敏感探头包括：两个第一振子单元、一个第二振子单元和支撑结构，两个第一振子单元和一个第二振子单元固联在所述支撑结构表面，且第一振子单元的敏感轴与第二振子单元的敏感轴相互正交；第一振子单元包括：正摆结构、倒摆结构、第一检验质量和第一外框，第一检验质量通过正摆结构和倒摆结构与第一外框相连，第一外框与腔体固联；第二振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、第二检验质量和第二外框，第二检验质量通过正刚度弹簧和负刚度弹簧与第二外框相连，第二外框与腔体固联；位移传感结构设置在第一检验质量和第二检验质量的表面；位移检测电路用于检测位移传感结构的位移信号；水平调节基座设置在腔体底部，用于调节腔体的水平。更进一步地，所述折叠摆形式的第一振子单元中的正摆结构与倒摆结构的运动趋势相反，二者运动趋势的相互抵消可以使得振子单元的本征频率降低。

更进一步地，折叠摆形式的第一振子单元在1g重力作用下本征频率小于5Hz。

更进一步地，基于负刚度弹簧的第二振子单元在1g重力作用下通过正、负刚度弹簧的刚度匹配有效地降低了等效刚度使得本征频率小于5Hz。

更进一步地，支撑结构使用热膨胀系数小于2.5ppm/℃的材料。

更进一步地，MEMS重力仪还包括：真空接口和真空模块，真空接口设置在腔体表面，用于连接腔体与设置在腔体外部的所述真空模块。

更进一步地，MEMS重力仪还包括：温度控制模块，设置于腔体内部，用于维持所述腔体内部温度的稳定。

更进一步地，MEMS重力仪还包括：信号接口，设置于腔体的表面，用于将所述位移传感结构的信号传导至所述位移检测电路。

本发明还提供了一种重力梯度仪，两个相同的上述重力仪在空间上分开一定距离放置，测量重力仪所在的重力加速度，对所测得的重力加速度进行差分除以上述空间两点的距离，可以测量重力场的重力梯度，构成一个重力梯度仪。

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：

(1)通过振子单元的组合对重力加速度进行矢量测量，降低了重力仪对于指向调节的需求；

(2)振子单元在承受一定重力作用下，本征频率可以达到5Hz及以下，降低了实现相同重力加速度测量精度对位移检测的需求。；

(3)振子单元使用近乎完美晶格结构的单晶硅通过MEMS技术一体加工得到，避免了金属材料的蠕变等问题，同时避免了传统加工中不同器件间连接点不稳定的问题，使得振子单元可以实现更好的稳定性；

(4)振子单元可以制作小到20×20×0.5mm以内，使得整个仪器的体积与重量都有了缩小的潜力，使得仪器可以更加便携，同时降低了动基座重力仪的研发难度；

(5)振子单元借助MEMS技术的批量生产能力，可以有效地降低仪器的生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的三轴MEMS重力仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的三轴MEMS重力仪的折叠摆形式的振子单元示意图；

图3是本发明实施例提供的折叠摆形式的振子单元原理图；

在所有附图中，z轴表示重力方向，g表示重力加速度，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为三轴MEMS重力仪的敏感探头，2为第一折叠摆形式的振子单元，3为第一位移传感结构，4为基于负刚度弹簧的振子单元，5为第二位移传感结构，6为第二折叠摆形式的振子单元，7为第三位移传感结构，8为支撑结构，9为腔体，10为水平调节基座，11为真空接口，12为信号接口，13为真空模块，14为位移检测电路，15为温度控制模块，16为折叠摆形式振子单元的检验质量，17为折叠摆形式振子单元的正摆结构，18为折叠摆形式振子单元的外框，19为折叠摆形式振子单元的倒摆。

在所有附图中，l是悬臂的正倒摆臂长，l_p是连接点之间的距离，m_p1和m_p2分别是检验质量的两个等效质量，m_a1和m_a2是正摆臂和倒摆臂的等效质量。

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，以下结合附图及两个实施例，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。

本发明提供了一种三轴MEMS重力仪，包括：敏感探头，位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；其中，敏感探头包括：两个折叠摆形式的第一振子单元、一个基于负刚度弹簧的第二振子单元和支撑结构，上述三个振子单元固联在支撑结构表面，敏感轴方向相互正交；其中，第一振子单元包括：正摆结构、倒摆结构、第一检验质量、第一外框，第二振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、第二检验质量和第二外框；

位移传感结构位于上述检验质量表面，它的信号由位移检测电路检测记录；振子单元安装在腔体内部，其外框与腔体固联；水平调节基座安装在腔体底部，调节腔体的水平。

工作中，三轴MEMS重力仪处在重力环境中，三个振子单元的检验质量受到敏感轴方向的重力分量作用，弹簧形变产生的弹力与之达成平衡，检验质量处于某一个平衡位置；重力仪所处环境的重力加速度发生变化时，弹簧形变会随之变化使弹簧产生的弹力与重力分量平衡，使检验质量发生位移达到一个新的平衡位置。位移传感结构将检验质量的这一位移转化为某种可以检测的物理量(例如电容、光强等)，位移检测电路通过检测这一物理量得到检验质量的位移进而检测到重力加速度的变化。

在本发明实施例中，折叠摆形式的振子单元中的正摆结构与倒摆结构的运动趋势相反，二者运动趋势的相互抵消可以使得振子单元的本征频率降低，使得振子单元对于加速度的变化更加敏感。本征频率可以有效地降低到5Hz及以下，理论上可以降低到任意频率。

在本发明实施例中，基于负刚度弹簧的振子单元中检验质量通过正刚度弹簧和负刚度弹簧与外框相连，正、负刚度弹簧关于检验质量对称设置。正刚度弹簧通过与负刚度弹簧的匹配可以有效地减小等效刚度，进而使振子单元的本征频率降低，使得振子单元对于加速度的变化更加敏感。本征频率可以有效地降低到5Hz及以下，理论上可以降低到任意频率。

在本发明实施例中，为了减小重力仪外界的温度变化对振子单元的影响，支撑结构选择热膨胀系数小于2.5ppm/℃的材料，为上述三个振子单元提供支撑的同时，减小外界温度变化对于振子单元的影响。

在本发明实施例中，为了减小腔体内气流对振子单元的影响，MEMS重力仪还包括：真空接口和真空模块，真空接口在腔体表面，连接腔体与真空模块。通过真空模块维持腔体真空环境，真空度维持在1Pa以下，真空度变化小于1％。真空环境不仅减小了气流对振子单元的影响，同时起到被动隔热作用，有利于腔体内部温度的稳定。

在本发明实施例中，为了减小温度变化对振子单元的影响，MEMS重力仪还包括：温度控制模块，位于腔体内部，维持腔体内部温度的稳定。通过闭环控制维持腔体稳定在一个固定的温度，温度变化小于10^-2℃。

在本发明实施例中，当位移传感结构需要与位移检测电路进行有线连接时；MEMS重力仪还包括：信号接口，位于腔体表面。主要是将位移传感结构的信号传导到位移检测电路。

在本发明实施例中，将整个重力仪安置在稳定平台上，可以实现动基座重力测量。

在本发明实施例中，可以把两个相同的上述重力仪放置在两个位置，分别测量两个位置的重力加速度，进而测量重力梯度。更进一步，采用多对相同的重力仪组合放置，可以构成全张量重力梯度仪，进而实现重力梯度的所有张量分量测量。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的MEMS重力仪，现结合附图以及具体实例详述如下：

本发明实施例提供了一种三轴MEMS重力仪的结构如图1所示；三轴MEMS重力仪包括三轴MEMS重力仪的敏感探头1，第一位移传感结构3，第二位移传感结构5，第三位移传感结构7，腔体9，水平调节基座10，真空接口11，信号接口12，真空模块13，位移检测电路14。上述敏感探头1包括第一折叠摆形式的振子单元2，基于负刚度弹簧的振子单元4，第二折叠摆形式的振子单元6，支撑结构8。

第一折叠摆形式的振子单元2与第二折叠摆形式的振子单元6区别在于二者的敏感轴方向不同，是正交的关系，其它的都完全一致。基于负刚度弹簧的振子单元4的敏感轴方向与上述两个振子单元的敏感轴方向正交。于是，可以把上述三个振子单元的敏感轴方向组成一个笛卡尔坐标系。第一折叠摆形式的振子单元2敏感轴方向记为x轴，第二折叠摆形式的振子单元6敏感轴方向记为y轴，基于负刚度弹簧的振子单元4敏感轴方向记为z轴。通过测量重力加速度在x、y、z三轴的投影量，可以实现对重力加速度的矢量测量。

折叠摆形式的振子单元结构如图2。检验质量16通过倒摆结构15和正摆结构17与外框18相连。倒摆结构19和正摆结构17起到了弹簧的作用。折叠摆形式的振子单元结构可以简化为如图3，可以等效为正摆与倒摆的结合。当检验质量16偏离平衡位置时，正摆结构与倒摆结构的运动趋势相反，起到了降低振子结构本征频率的作用，图中结构的本征频率的表达式为

其中，l是悬臂的正倒摆臂长，l_p是连接点之间的距离，m_p1和m_p2分别是检验质量的两个等效质量，m_a1和m_a2是正摆臂和倒摆臂的等效质量，k是连接点的转动刚度。从上式，可以看出通过调节m_p1、m_p2、m_a1、m_a2的大小，可以有效降低结构的本征频率。

位移传感结构3、5、7通过一定的加工方法，分别制作在上述三个振子单元2、4、6的检验质量的表面。位移传感结构3、5、7通过信号接口12与位移检测电路14相连。一种可行的方案是制作出电容位移传感器。例如在第一折叠摆形式的振子单元2的检验质量16表面制作一些电容极板作为动极板，动极板的正上方固定有定极板。检验质量16产生位移时，动极板随着位移，动极板与定极板间的电容变化。信号接口12使用真空匹配的陶瓷电极。位移检测电路14相应的设计为电容检测电路，检测这一电容变化，可以检测到检验质量16的位移。整个位移检测精度可以达到nm量级甚至pm量级。其他两个振子单元同理。

温度控制模块15安装在腔体9的内表面，对整个腔体进行温度控制。通过热敏电阻和加热器构成闭环反馈控制环路，使得腔体特别是敏感探头的温度变化控制在10^-3℃以内。

腔体9通过真空接口11与真空模块13相连，构成一个真空系统，为上述三个振子单元2、4、6，位移传感结构3、5、7等提供一个稳定的真空环境。真空接口11使用CF16型接口，真空模块13使用离子泵进行真空维持，使得腔体9真空度维持在小于10^-4Pa。

水平调节基座10安装在腔体9的底面，用于调节水平。

工作时，腔体9、真空接口11、真空模块13使得腔体9真空度维持在小于10^-4Pa。温度控制模块15通过闭环控制温度，使得腔体9内部温度维持在某一温度，温度变化小于10^-3℃。整个仪器处于重力场中，三个振子单元2、4、6受到的重力分量会使振子单元中的检验质量产生位移，位移传感结构3、5、7检测这一位移就可以检测出重力在上述三个振子单元2、4、6敏感方向的投影，进而可以实现对重力加速度的矢量测量。

本实施例，分别通过正摆结构与倒摆结构匹配以及正、负刚度弹簧的匹配有效降低振子单元的本征频率，增大了加速度转换为位移的系数，在位移检测精度一定的情况下，有效地提高了加速度的检测精度。振子单元利用单晶硅通过一体加工得到，减少了机械连接点，有效提高了结构的稳定性。同时，真空模块、支撑结构、温度控制模块为振子单元和位移传感结构等检测单元提供了一个气压稳定、温度稳定的环境，使得仪器精度、稳定性都可以有效地提升。

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 (6)

1.一种三轴MEMS重力仪，其特征在于，包括：敏感探头、位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；

所述敏感探头包括：两个第一振子单元、一个第二振子单元和支撑结构，两个第一振子单元和一个第二振子单元固联在所述支撑结构表面，且所述第一振子单元的敏感轴与所述第二振子单元的敏感轴相互正交；所述第一振子单元包括：正摆结构、倒摆结构、第一检验质量和第一外框，所述第一检验质量通过所述正摆结构和所述倒摆结构与所述第一外框相连，所述第一外框与腔体固联；所述第二振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、第二检验质量和第二外框，所述第二检验质量通过所述正刚度弹簧和所述负刚度弹簧与所述第二外框相连，所述第二外框与腔体固联；

两个第一振子单元使用近乎完美晶格结构的单晶硅通过MEMS技术一体加工得到，避免了金属材料的蠕变，同时避免了传统加工中不同器件间连接点不稳定的问题，使得振子单元可以实现更好的稳定性；

所述位移传感结构设置在所述第一检验质量和所述第二检验质量的表面；

所述位移检测电路用于检测所述位移传感结构的位移信号；

所述水平调节基座设置在所述腔体底部，用于调节腔体的水平；

工作中，当处在重力环境中，三个振子单元的检验质量受到的敏感轴方向的重力分量作用，弹簧形变产生的弹力与之达成平衡，检验质量处于某一个平衡位置；当重力仪所处环境的重力加速度发生变化时，弹簧形变会随之变化使弹簧产生的弹力与重力分量平衡，使检验质量发生位移达到一个新的平衡位置；位移传感结构将检验质量的这一位移转化为某种可以检测的物理量，位移检测电路通过检测这一物理量得到检验质量的位移进而检测到重力加速度的变化；

所述第一振子单元为折叠摆形式，所述第一振子单元中的所述正摆结构与所述倒摆结构的运动趋势相反，二者运动趋势的相互抵消使得振子单元的本征频率降低；

所述第一振子单元在1g重力作用下本征频率小于5Hz；

所述第二振子单元在1g重力作用下通过正、负刚度弹簧的刚度匹配降低了等效刚度使得本征频率小于5Hz。

2.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述支撑结构采用热膨胀系数小于2.5ppm/℃的材料。

3.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述MEMS重力仪还包括：真空接口和真空模块，所述真空接口设置在所述腔体表面，用于连接所述腔体与设置在所述腔体外部的真空模块。

4.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述MEMS重力仪还包括：温度控制模块，设置于所述腔体内部，用于维持所述腔体内部温度的稳定。

5.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述MEMS重力仪还包括：信号接口，设置于所述腔体的表面，用于将所述位移传感结构的信号传导至所述位移检测电路。

6.一种包括权利要求1所述的MEMS重力仪的重力梯度仪，其特征在于，两个所述MEMS重力仪在空间上分开一定距离放置，用于测量重力仪所在位置的重力加速度，对所测得的重力加速度进行差分除以上述空间两点的距离后获得重力场的重力梯度。