相對重力儀是一種測量重力加速度變化的儀器，它在區(qū)域重力研究及重力填圖、油氣及礦藏勘探、地球重力場輔助導(dǎo)航等方面有著廣泛的應(yīng)用。但是，目前商用的相對重力儀器主要是進口設(shè)備，價格非常昂貴，而且體積較大，限制了它的使用。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，華中科技大學(xué)引力中心涂良成教授的研究團隊現(xiàn)已推出一種高精度大動態(tài)范圍的MEMS相對重力儀，他們指出它的本底噪聲比已報道的MEMS重力儀低五倍，達到8 μGal/√Hz；動態(tài)范圍是已報道的MEMS重力儀的八倍，可以覆蓋全球重力場的變化；他們研制的MEMS重力儀同商用超導(dǎo)重力儀一起進行同址觀測，測得的潮汐信號相關(guān)系數(shù)可以達到0.9以上。研究人員目前正在開展工程樣機的研制，有望在不久的將來實現(xiàn)商用。
準零剛度結(jié)構(gòu)
為了解決重力儀面臨的大加速度載荷和高精度之間的矛盾，研究人員利用雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中的負剛度性質(zhì)設(shè)計了非線性的彈簧，利用它的負剛度性質(zhì)和正剛度彈簧進行匹配獲得極低的剛度。這一結(jié)構(gòu)和檢驗質(zhì)量塊組成一個彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)在低載荷時處于大剛度狀態(tài)，在1 g重力作用時處于接近零剛度的狀態(tài)，而且這一狀態(tài)可以覆蓋全球重力場的變化（從975 Gal到983 Gal）?；谶@一設(shè)計制作的MEMS彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的本征頻率可以低至3.1 Hz，極大地提高了器件對于重力加速度的靈敏度。
（左）彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)實物圖；（右）設(shè)計的彈簧的力-位移曲線。
圖1 彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)
光學(xué)位移傳感器
為了實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定的加速度檢測，研究人員設(shè)計了光學(xué)位移傳感器對檢驗質(zhì)量的位移進行檢測，如圖2。制作完成的儀器同商用儀器進行比對，可以得到這一儀器的本底噪聲為8 μGal/√Hz。他們表示這一噪聲遠高于機械熱噪聲，隨著位移傳感器的優(yōu)化，整個儀器的噪聲有望進一步降低。
（左）光學(xué)位移傳感器工作原理圖；（右）MEMS重力儀噪聲水平測試。
圖2 光學(xué)位移傳感器
潮汐檢測
潮汐信號是地面物體受到太陽、月球引力變化產(chǎn)生的，是一種常見的引起重力加速度變化的現(xiàn)象。由于它的幅度在百μGal，周期為12小時和24小時，通常把對潮汐的檢測作為衡量重力儀的重要指標。研究人員把制作的MEMS重力儀放置在實驗室中進行長期測試，數(shù)據(jù)結(jié)果與實驗室中商用超導(dǎo)重力儀比較，5天的數(shù)據(jù)表明（圖3），兩者測到的潮汐信號相關(guān)系數(shù)為0.91.
圖3 MEMS重力儀與商用超導(dǎo)重力儀測到的潮汐信號
不同于目前常用的石英制作的相對重力儀，這一MEMS重力儀的敏感結(jié)構(gòu)使用單晶硅材料制作，利用現(xiàn)有的MEMS技術(shù)，更容易集成、封裝、量產(chǎn)?；谶@一原型有望制作出小型化高精度MEMS重力儀，可以廣泛應(yīng)用在油氣勘探、重力測量等領(lǐng)域。據(jù)涂良成教授稱，研究團隊目前已經(jīng)開始了MEMS重力儀工程化的工作，相信很快會有相應(yīng)產(chǎn)品推出。
該研究成果以“A HIGH SENSITIVITY MEMS GRAVIMETER WITH LARGE DYNAMIC RANGE”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊。論文第一作者為唐世豪博士，通訊作者為涂良成教授。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和華中科技大學(xué)創(chuàng)新交叉重點團隊項目的經(jīng)費支持。
