相對(duì)重力儀是一種測(cè)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(chǎng)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(duì)重力儀器主要是進(jìn)口設(shè)備，價(jià)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(bào)道，華中科技大學(xué)引力中心涂良成教授的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已推出一種高精度大動(dòng)態(tài)范圍的MEMS相對(duì)重力儀，他們指出它的本底噪聲比已報(bào)道的MEMS重力儀低五倍，達(dá)到8 μGal/√Hz；動(dòng)態(tài)范圍是已報(bào)道的MEMS重力儀的八倍，可以覆蓋全球重力場(chǎng)的變化；他們研制的MEMS重力儀同商用超導(dǎo)重力儀一起進(jìn)行同址觀測(cè)，測(cè)得的潮汐信號(hào)相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到0.9以上。研究人員目前正在開展工程樣機(jī)的研制，有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)商用。
準(zhǔn)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(fù)剛度性質(zhì)設(shè)計(jì)了非線性的彈簧，利用它的負(fù)剛度性質(zhì)和正剛度彈簧進(jìn)行匹配獲得極低的剛度。這一結(jié)構(gòu)和檢驗(yàn)質(zhì)量塊組成一個(gè)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)在低載荷時(shí)處于大剛度狀態(tài)，在1 g重力作用時(shí)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(chǎng)的變化（從975 Gal到983 Gal）。基于這一設(shè)計(jì)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(duì)于重力加速度的靈敏度。
（左）彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)實(shí)物圖；（右）設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定的加速度檢測(cè)，研究人員設(shè)計(jì)了光學(xué)位移傳感器對(duì)檢驗(yàn)質(zhì)量的位移進(jìn)行檢測(cè)，如圖2。制作完成的儀器同商用儀器進(jìn)行比對(duì)，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(yuǎn)高于機(jī)械熱噪聲，隨著位移傳感器的優(yōu)化，整個(gè)儀器的噪聲有望進(jìn)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(cè)試。
圖2 光學(xué)位移傳感器
潮汐檢測(cè)
潮汐信號(hào)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(shí)和24小時(shí)，通常把對(duì)潮汐的檢測(cè)作為衡量重力儀的重要指標(biāo)。研究人員把制作的MEMS重力儀放置在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(cè)到的潮汐信號(hào)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(cè)到的潮汐信號(hào)
不同于目前常用的石英制作的相對(duì)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)。基于這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(cè)量等領(lǐng)域。據(jù)涂良成教授稱，研究團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)開始了MEMS重力儀工程化的工作，相信很快會(huì)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(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(diǎn)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
