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、地球重力場輔助導航等方面有著廣泛的應用。但是，目前商用的相對重力儀器主要是進口設備，價格非常昂貴，而且體積較大，限制了它的使用。

據麥姆斯咨詢報道，華中科技大學引力中心涂良成教授的研究團隊現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重力儀同商用超導重力儀一起進行同址觀測，測得的潮汐信號相關系數可以達到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商用。

準零剛度結構

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)結構中的負剛度性質設計了非線性的彈簧，利用它的負剛度性質和正剛度彈簧進行匹配獲得極低的剛度。這一結構和檢驗質量塊組成一個彈簧-質量系統(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@一設計制作的MEMS彈簧-質量系統(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-質量系統(tǒng)實物圖；（右）設計的彈簧的力-位移曲線。

圖1 彈簧-質量系統(tǒng)

光學位移傳感器

為了實現高精度高穩(wěn)定的加速度檢測，研究人員設計了光學位移傳感器對檢驗質量的位移進行檢測，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、月球引力變化產生的，是一種常見的引起重力加速度變化的現象。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，數據結果與實驗室中商用超導重力儀比較，5天的數據表明（圖3），兩者測到的潮汐信號相關系數為0.91.

圖3 MEMS重力儀與商用超導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重力儀的敏感結構使用單晶硅材料制作，利用現有的MEMS技術，更容易集成、封裝、量產。基于這一原型有望制作出小型化高精度MEMS重力儀，可以廣泛應用在油氣勘探、重力測量等領域。據涂良成教授稱，研究團隊目前已經開始了MEMS重力儀工程化的工作，相信很快會有相應產品推出。

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、國家自然科學基金和華中科技大學創(chuàng)新交叉重點團隊項目的經費支持。