一种MEMS重力仪制造技术

本发明专利技术公开了一种MEMS重力仪；包括：振子单元，位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；振子单元设置在腔体的内部，振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、检验质量和外框；检验质量通过正刚度弹簧和负刚度弹簧与外框相连，且正刚度弹簧与负刚度弹簧关于检验质量对称设置，外框与腔体固联；位移传感结构设置在检验质量的表面，位移检测电路用于检测位移传感结构的位移信号；振子单元通过正负刚度弹簧的匹配实现本征频率的降低；通过检测检验质量的位移进而检测重力加速度的变化。MEMS重力仪稳定性高，体积小，质量轻，能够有效地降低生产成本，并且能有效降低信号检测单元和稳定平台的研发难度。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS重力仪
本专利技术属于重力测量
，更具体地，涉及一种MEMS重力仪。
技术介绍
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。绝对重力仪以Micro-g&LaCoste公司的FG5-X为代表，它通过非常精确地测量真空中物体下落的位置与时间关系来测量绝对的重力加速度大小。它的精度非常高，准确度可以达到2μGal/√Hz，精确度达到15μGal/√Hz(1Gal＝1cm/s2)。但是整个仪器也十分巨大，总重量达到150kg，总体积达到1.5m3。它的价格更是十分昂贵，达到几百万人民币。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。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/ω02Δx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地低。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。为了实现在重力场(重力加速度记为g，大约为9.8m/s2)中，测到百ng量级(1ng＝10-9g)的重力加速度变化，“零长弹簧”的结构被广泛应用到相对重力仪中，使得振子单元能够在承受1g重力作用的同时对于重力加速度变化很敏感。目前，商用的相对重力仪基本上都是基于这一思想设计制作的。例如Scintrex公司的CG6型相对重力仪，它就利用了熔融石英制作的零长弹簧进行重力测量，它的质量达到5.2kg，测量的标准重复度达到5μGal。但是，它的价格依然十分昂贵，达到上百万人民币。微机电系统(MicroelectromechanicalSystem，MEMS)随着微电子技术的发展越来越成熟，不断地被应用到各个领域。在仪器小型化、制作成本控制等方面，有着独特的优势。目前，商用的MEMS加速度计已经被广泛应用在汽车、智能手机、机器人等领域。商用MEMS加速度计也优化到了较高的精度，例如INOVA公司的ML21型的MEMS加速度计精度可以达到42ng/√Hz，SERCEL公司的DSU1508型号MEMS加速度计精度为15ng/√Hz。但是目前已有的MEMS加速度计的测量精确度和稳定度仍然达不到重力仪的需求。英国的Glasgow大学曾经报道过一种基于“geometricanti-spring”的MEMS重力仪。他们借助“geometricanti-spring”的设计，将MEMS振子单元的本征频率做到很低，使得它对于加速度的变化十分敏感。根据报道，它的测量精度达到40μGal/√Hz，零漂达到140μGal/day。
技术实现思路
针对现有重力仪上的缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种MEMS重力仪，能够实现高精度、高稳定性的重力测量，同时使重力仪的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，本专利技术提供了一种MEMS重力仪，包括：振子单元，位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；所述振子单元设置在所述腔体的内部，所述振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、检验质量和外框；所述检验质量通过所述正刚度弹簧和所述负刚度弹簧与所述外框相连，且所述正刚度弹簧与所述负刚度弹簧关于所述检验质量对称设置，所述外框与所述腔体固联；所述位移传感结构设置在所述检验质量的表面，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。更进一步地，所述负刚度弹簧为弯曲的梁，所述梁的两端固定，工作中检验质量的位移使得梁产生轴向伸缩且在所述梁的内部产生轴向力。更进一步地，所述振子单元在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，所述MEMS重力仪还包括：支撑结构，固定在所述腔体内部，且所述振子单元的外框固定在支撑结构的表面。更进一步地，所述支撑结构为龙门结构，其材料为热膨胀系数小于2.5ppm/℃的材料。更进一步地，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所述真空模块。更进一步地，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更进一步地，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。本专利技术还提供了一种振子单元的MEMS加工方法，所述振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、检验质量和外框；所述检验质量通过所述正刚度弹簧和所述负刚度弹簧与所述外框相连，且所述正刚度弹簧与所述负刚度弹簧关于所述检验质量对称设置；其特征在于，所述MEMS加工方法包括下述步骤：(1)通过光刻工艺将振子单元的外框、负刚度弹簧、检验质量和正刚度弹簧的图形掩膜转移至硅片表面；(2)利用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺对所述硅片进行一体刻蚀并获得所述振子单元中间件；(3)利用湿法腐蚀工艺将所述振子单元中间件中不需要的结构去除后获得所述振子单元。本专利技术还提供了一种三轴重力仪，包括三个振子单元，三个振子单元所处的平面均与水平面成一定夹角，例如60°或者其它角度，三个振子单元所处的平面两两相互之间成一定夹角，例如120°或者其它角度；每个振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、检验质量和外框；所述检验质量通过所述正刚度弹簧和所述负刚度弹簧与所述外框相连，且所述正刚度弹簧与所述负刚度弹簧关于所述检验质量对称设置。本专利技术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。采用一对或者多对上述单轴重力仪组合可分别构成部分张量重力梯度仪或者全张量重力梯度仪。总体而言，通过本专利技术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)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，在相同的位移检测精度的基础上，可以实现更高精度的加速度检测；(2)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；(3)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；(4)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是本专利技术实施例提供的MEMS重力仪的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS重力仪，其特征在于，包括：振子单元，位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；所述振子单元设置在所述腔体的内部，所述振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、检验质量和外框；所述检验质量通过所述正刚度弹簧和所述负刚度弹簧与所述外框相连，且所述正刚度弹簧与所述负刚度弹簧关于所述检验质量对称设置，所述外框与所述腔体固联；所述位移传感结构设置在所述检验质量的表面，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。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS重力仪，其特征在于，包括：振子单元，位移传感结构，位移检测电路，腔体和水平调节基座；所述振子单元设置在所述腔体的内部，所述振子单元包括：负刚度弹簧、正刚度弹簧、检验质量和外框；所述检验质量通过所述正刚度弹簧和所述负刚度弹簧与所述外框相连，且所述正刚度弹簧与所述负刚度弹簧关于所述检验质量对称设置，所述外框与所述腔体固联；所述位移传感结构设置在所述检验质量的表面，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。2.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述负刚度弹簧为弯曲的梁，所述梁的两端固定，工作中检验质量的位移使得梁产生轴向伸缩且在所述梁的内部产生轴向力。3.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述振子单元在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进而使本征频率有效地减小。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：支撑结构，固定在所述腔体内部，且所述振子单元的外框固定在支撑结构的表面。5.如权利要求4所述的MEMS重力仪，其特征在于，所述支撑结构为龙门结构，其材料为热膨胀系数小于2.5ppm/℃的材料。6.如权利要求1-5任一项所述的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所述真空模块。7.如权利要求1-6任一项所述的MEMS重力仪，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂良成，唐世豪，刘金全，范继，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42