一种基于位移差分的mems重力梯度仪的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002] 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。
[0003] 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5-10Ε(1Ε = 10 一 9?Γ2)。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G0CE卫星 上搭载的正是这种梯度仪。实际在轨实测时，梯度Vxx、Vy^辨率为10rnE/VHi，V z^辨率 约为20γπΕ/λ?。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 ImE/vTii。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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 按照本发明的另一方面，提供了一种MEMS重力梯度仪，其特征在于，包括在同一硅 片上加工得到的第一振子单元和第二振子单元，所述第一振子单元的检验质量上设有第一 电容检测阵列，所述第二振子单元的检验质量上设有第二电容检测阵列，所述第一电容检 测阵列和所述第二电容检测阵列均为梳齿结构，在同一平面内相互啮合，构成位移检测电 容;在所述MEMS重力梯度仪由梯度信号输入时，所述第一检验质量和所述第二检验质量发 生相对位移，带动所述第一电容检测阵列和所述第二电容检测阵列发生相对位移，使得所 述第一电容检测阵列和所述第二电容检测阵列的间距发生变化，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。
[0010] 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:该重力梯度仪中的两个加速度敏感单元先进行位移差分，直接得到差分信号后再进行 检测(信号流程图如图2所示），不仅降低了对加速度计量程跨度的要求，而且消除了对后续 信号检测及处理模块的一致性要求，使相关模块(如稳定平台、检测电路）的研制难度显著 降低，此外，能有效地减小梯度仪的敏感单元的体积和质量，这对于载荷敏感的稳定平台和 隔震平台的研发非常有利。
【附图说明】
[0011] 图1是现有重力梯度仪的信号流程图；
[0012] 图2是本发明的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的信号流程图；
[0013] 图3是本发明实施例的变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯 度仪的结构示意图；
[0014] 图4是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元 的振子单元的俯视结构简图，其中，（a)第一振子单元，（b)第二振子单元；
[0015] 图5是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元 剖面图；
[0016] 图6是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元 的第一振子单元的结构示意图；
[0017] 图7是变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯度仪的敏感单元 的第二振子单元的结构示意图；
[0018] 图8是本发明实施例的变间距式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS重力梯 度仪的敏感单元结构示意图。
[0019] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1_第一振子单 元，2-第二振子单元，3-信号检测电路，4-第一电容检测阵列，5-第二电容检测阵列，6-第三 电容检测阵列，封装环，8_第一检验质量，9_第二检验质量，10-梁，11_第一端口、12-第二 端口，13-梁，14-第一信号输入端口，15-接地端口，16-信号输出端口，17-第二信号输入端 口，18-第一检验质量，19-第二检验质量，20-第一电容梳齿阵列，21-第二电容梳齿阵列。
【具体实施方式】
[0020] 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。
[0021] 如图3所示，本发明实施例的变面积式电容位移传感方式的基于位移差分的MEMS 重力梯度仪包括敏感单元和信号处理单元，其中，敏感单元包括第一振子单元1和第二振子 单元2,信号处理单元包括信号检测电路3。
[0022] 如图4(a)和4(b)所示，第一振子单元1和第二振子单元2通过深硅刻蚀技术对整个 硅片进行加工得到，第一振子单元1包括第一外围框架和第一检验质量8,第一外围框架和 第一检验质量8通过第一组梁10连接，第二振子单元2包括第二外围框架和第二检验质量9， 第二外围框架和第二检验质量9通过第二组梁13连接。第一组梁10和第一检验质量8构成第 一机械振子，第二组梁13和第二检验质量9构成第二机械振子，梁10和梁13的力学性质近似 于弹簧，用于将待测梯度信号转化为第一检验质量8和第二检验质量9的位移信号，其在Z轴 方向（与检验质量垂直的方向）的劲度系数非常大，以支撑起检验质量，而在X方向（与梁垂 直且与检验质量平行的方向）的劲度系数较小，以提高测量加速度的灵敏度。第一机械振子 和第二机械振子的主要作用是将梯度信号转化为第一检验质量和第二检验质量的位移信 号，梯度仪工作时，第一外围框架或第二外围框架固定于工作台上，起保护和固定作用。
[0023] 如图5至图7所示，第一振子单元1还包括设置在第一检验质量8上的第一电容检测 阵列4和第二电容检测阵列5,第一电容检测阵列4和第二电容检测阵列5相互交错排列，第 一电容检测阵列4的公共端引出至第一外围框架上作为第一振子单元1的第一端口 11，第二 电容检测阵列5的公共端引出至第一外围框架上作为第一振子单元1的第二端口 12。第二振 子单元2还包括设置在第二检验质量9上的第三电容检测阵列6,第三电容检测阵列6的公共 端引出至第二外围框架上，作为敏感单元的信号输出端