[发明专利]一种基于位移差分的MEMS重力梯度仪

说明书

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V_xx、V_yy分辨率为V_zz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。