相对重力仪是一种测量重力加速度变化的仪器，它在区域重力研究及重力填图、油气及矿藏勘探、地球重力场辅助导航等方面有着广泛的应用。但是，目前商用的相对重力仪器主要是进口设备，价格非常昂贵，而且体积较大，限制了它的使用。
华中科技大学引力中心涂良成教授的研究团队现已推出一种高精度大动态范围的MEMS相对重力仪，他们指出它的本底噪声比已报道的MEMS重力仪低五倍，达到8 μGal/√Hz；动态范围是已报道的MEMS重力仪的八倍，可以覆盖全球重力场的变化；他们研制的MEMS重力仪同商用超导重力仪一起进行同址观测，测得的潮汐信号相关系数可以达到0.9以上。研究人员目前正在开展工程样机的研制，有望在不久的将来实现商用。
为了解决重力仪面临的大加速度载荷和高精度之间的矛盾，研究人员利用双稳态结构中的负刚度性质设计了非线性的弹簧，利用它的负刚度性质和正刚度弹簧进行匹配获得极低的刚度。这一结构和检验质量块组成一个弹簧-质量系统，如图1。该系统在低载荷时处于大刚度状态，在1 g重力作用时处于接近零刚度的状态，而且这一状态可以覆盖全球重力场的变化（从975 Gal到983 Gal）。基于这一设计制作的MEMS弹簧-质量系统的本征频率可以低至3.1 Hz，极大地提高了器件对于重力加速度的灵敏度。
（左）弹簧-质量系统实物图；（右）设计的弹簧的力-位移曲线。
图1 弹簧-质量系统
为了实现高精度高稳定的加速度检测，研究人员设计了光学位移传感器对检验质量的位移进行检测，如图2。制作完成的仪器同商用仪器进行比对，可以得到这一仪器的本底噪声为8 μGal/√Hz。他们表示这一噪声远高于机械热噪声，随着位移传感器的优化，整个仪器的噪声有望进一步降低。
图2 光学位移传感器（左）光学位移传感器工作原理图；（右）MEMS重力仪噪声水平测试。
潮汐信号是地面物体受到太阳、月球引力变化产生的，是一种常见的引起重力加速度变化的现象。由于它的幅度在百μGal，周期为12小时和24小时，通常把对潮汐的检测作为衡量重力仪的重要指标。研究人员把制作的MEMS重力仪放置在实验室中进行长期测试，数据结果与实验室中商用超导重力仪比较，5天的数据表明（图3），两者测到的潮汐信号相关系数为0.91.
图3 MEMS重力仪与商用超导重力仪测到的潮汐信号
不同于目前常用的石英制作的相对重力仪，这一MEMS重力仪的敏感结构使用单晶硅材料制作，利用现有的MEMS技术，更容易集成、封装、量产。基于这一原型有望制作出小型化高精度MEMS重力仪，可以广泛应用在油气勘探、重力测量等领域。据涂良成教授称，研究团队目前已经开始了MEMS重力仪工程化的工作，相信很快会有相应产品推出。
该研究成果以“A HIGH SENSITIVITY MEMS GRAVIMETER WITH LARGE DYNAMIC RANGE”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊。论文第一作者为唐世豪博士，通讯作者为涂良成教授。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和华中科技大学创新交叉重点团队项目的经费支持。
（论文连接：https://doi.org/10.1038/s41378-019-0089-7；责编：Demi Xia）
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