一种三轴MEMS重力仪制造技术

本发明专利技术提供了一种三轴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。

A three axis MEMS gravimeter

The invention provides a three axis MEMS gravimeter, including sensitive probe, displacement sensor, displacement detection circuit, cavity and adjust the level of the base; sensitive probe comprises two first oscillator unit, a second oscillator unit and the support structure, the sensitive axis first vibrator unit and second oscillator the sensitive axis orthogonal to each other; the first oscillator unit includes a pendulum structure, inverted pendulum structure, the first inspection quality and quality inspection by the first frame, the first pendulum structure and inverted pendulum structure and the first frame is fixedly connected with the first outer cavity; second oscillator unit includes: a negative stiffness spring, positive stiffness spring, second inspection quality and quality inspection of second frame, second positive stiffness spring is connected with the negative stiffness spring and frame by frame second, second and cavity fixed displacement sensor is arranged on the structure; A surface for testing quality and second inspection quality; displacement detection circuit is used to detect displacement signal of displacement sensing structure; horizontal adjustment base is used to regulate the level of cavity.

【技术实现步骤摘要】
一种三轴MEMS重力仪
本专利技术属于重力测量
，更具体地，涉及一种三轴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/ω02，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。
技术实现思路
针对现有重力仪多是单轴测量的问题本专利技术提供了一种三轴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，本专利技术提供了一种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。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)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是本专利技术实施例提供的三轴MEMS重力仪的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的三轴MEMS重力仪的折叠摆形式的振子单元示意图；图3是本专利技术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，lp是连接点之间的距离，mp1和mp2分别是检验质量的两个等效质量，ma1和ma2是正摆臂和倒摆臂的等效质量。具体实施方式为了使本专利技术的目的、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，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。本专利技术提供了一种三轴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。在本专利技术实施例中，折叠摆形式的振子单元中的正摆结构与倒摆结构的运本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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。

【技术特征摘要】
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；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。2.如权利要求1所述的MEMS重力仪，其特征在于，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。3.如权利要求1或2所述的MEMS...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐世豪，涂良成，徐小超，伍文杰，刘骅锋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42