力平衡MEMS重力仪，树立新的性能基准
2026-01-11 10:20:55 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
近日，华中科技大学、澳门大学、中国科学院精密测量院等机构的研究人员组成的团队提出了一种开创性的力平衡MEMS重力仪，通过引入准零刚度（QZS）弹簧和阵列式电容位移传感器实现灵敏度增强。
基于微机电系统（MEMS）技术的重力仪能够克服传统重力仪所面临的高成本和体积庞大问题，正逐渐成为极具前景的下一代重力测量工具。然而，长期存在的灵敏度限制阻碍了其实际应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学、澳门大学、中国科学院精密测量院等机构的研究人员组成的团队提出了一种开创性的力平衡MEMS重力仪，通过引入准零刚度（QZS）弹簧和阵列式电容位移传感器实现灵敏度增强。该团队提出了一种新颖的两步调谐方法，将饱和离子增强的横向等离子体减薄技术与热-机械耦合相结合，精确调整QZS状态，并在位移换能器中依次达到最优灵敏度。所提出的MEMS重力仪的谐振频率低至0.6 Hz，在0.14 Hz处实现了0.1 μGal/√Hz的本底噪声水平，为MEMS重力仪树立了新的性能基准。针对超低谐振频率带来的带宽受限问题，引入了电磁反馈控制模块，将带宽拓展至108 Hz。为期45天的地球潮汐观测实验显示，其残差标准差为2.3 μGal，体现出优异的长期稳定性。该MEMS重力仪在灵敏度和带宽方面实现了突破，为下一代重力测量提供了一种紧凑且具成本优势的解决方案。上述研究成果以“Force balanced chip scale gravimeter achieving record low self noise of 0.1 μGal/√Hz”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
MEMS重力仪的设计与刚度调谐方法
基于力平衡的闭环MEMS重力仪主要由三部分组成：QZS弹簧-质量系统、面积可变电容位移换能器（ACDT），以及用于闭环反馈控制的线圈，如图1a所示。所制备的MEMS重力仪芯片的结构细节如图1b-1d所示。
图1 MEMS重力仪的设计与刚度调谐方法
本文所提出MEMS器件的弹簧系统采用负刚度的余弦梁与正刚度的折叠梁相结合进行设计，通过精细调谐其等效刚度以实现QZS状态。该结构通过悬挂质量块，形成一个准零谐振频率的弹簧-质量系统，从而以更高的灵敏度将外界重力加速度转换为位移信号。
QZS结构设计与制造的主要目标有两点：第一，在1 g背景重力作用下，确保质量块的平衡位置位于QZS工作区间内；第二，精确匹配折叠梁的正刚度kp与余弦梁的负刚度kn。
饱和离子增强横向等离子体调谐技术的原理如图1e、1f所示。在真空腔体中，射频（RF）功率使CHF₃气体电离，产生包含活性氟自由基（F）和带电离子的等离子体。这些自由基吸附在微梁结构表面，并与硅发生各向同性反应。
热-机械耦合调谐技术通过改变微梁结构的杨氏模量来对刚度进行精细调整，旨在使ACDT的输出精确地逼近零点。热-机械耦合刚度调谐方法的原理如图1g所示。
两步刚度调谐方法
两步等效刚度微调方法如图2所示。首先，MEMS重力仪芯片采用标准微加工工艺制备。随后，在经过精细优化的工艺条件下实施饱和离子增强横向等离子体减薄处理。
图2 两步刚度调谐方法
在初始阶段，微梁结构被有意设计得略宽于所需尺寸，从而形成一个正刚度较高的弹簧-质量系统，其谐振频率为69.2 Hz，如图2a所示。随着等离子体调谐处理的推进，弹簧-质量系统的等效刚度被逐步调谐至准零刚度（QZS）状态，实现了低至0.6 Hz的超低谐振频率。对该MEMS重力仪进行的衰减振动测试表明，其谐振频率为0.6 Hz、品质因数（Q值）为27，进一步验证了这一超低谐振频率，如图2b所示。
在MEMS重力仪芯片完成组装后，采用热-机械耦合调谐技术，通过改变微梁结构的杨氏模量对系统刚度进行精调。由于该方法不会引入额外噪声源，热-机械耦合技术不会影响QZS系统的频率稳定性。图2d展示了所评估MEMS重力仪的两步刚度调谐流程。通过连续应用这一创新性的调谐方法，该MEMS重力仪成功实现了超低频弹簧-质量系统与高灵敏度ACDT的一体化集成。这一突破有效克服了以往制约MEMS重力仪在多种实际场景中实现应用的精度瓶颈。
力平衡控制模块的设计与评估
尽管所实现的超低谐振频率显著提升了MEMS重力仪的灵敏度，但同时也会导致带宽的降低，在开环工作模式下其带宽通常受谐振频率所限制。为拓展带宽，首次在MEMS重力仪中集成了电磁反馈控制模块，如图3a、3b所示。
图3 力平衡控制模块的设计与评估
该力平衡MEMS重力仪被封装于一个环境扰动隔离系统模块中，如图3c所示。该系统的温度控制设定点依据热-机械耦合调控的要求进行设置。通过三级主动温度控制系统，使温度波动在1天内保持在0.1 mK以内，从而确保MEMS重力仪的长期稳定性。图3d给出了利用动态信号分析仪（SR785）测得的幅频特性曲线，结果表明闭环运行可显著拓展带宽至108 Hz。由此获得的增强带宽能够充分满足对多种自然地表振动的高要求探测需求，包括重力波动、地球微动以及地震事件等。
应用MEMS重力仪的45天地球潮汐观测
为评估长期稳定性，将研制的MEMS重力仪部署于一处洞穴实验室中（坐标为北纬30.520°、东经114.414°），进行了为期45天的连续观测。在经历约48 h的温度与电路稳定阶段后，以1 Hz的初始采样率采集MEMS重力仪数据。随后对数据进行降采样至0.125 Hz，以准确表征低频地球潮汐信号，如图4a所示。线性拟合结果表明，该MEMS重力仪的漂移率低至86 μGal/天，与商业化重力仪水平相当，其决定系数（R²）达到0.99。
在地球潮汐测量误差评估过程中，利用计算得到的理论地球潮汐数据对图4b中的测量数据进行了进一步校正。通过采用100点平滑窗口对数据进行处理，高频地震信号被有效去除。如图4c所示，残余误差在±5 μGal范围内波动，其标准差为2.3 μGal。
图4 对45天地球潮汐观测结果的分析
图5a展示了未经处理的45天观测数据的功率谱密度（PSD）。分析结果表明，在0.05 Hz以上频率范围内，可以清晰观察到地球微动信号，其特征符合地球新低噪声模型（NLNM）所定义的范围。为评估MEMS重力仪的本底噪声，采用了相干分析方法以消除地球微动信号的影响。经标定后，该MEMS重力仪在0.14 Hz处的本底噪声低至0.1 μGal/√Hz，可与传统体积庞大的重力仪相媲美，标志着MEMS重力仪领域的一项突破性里程碑，如图5b所示。
图5 MEMS重力仪45天地球潮汐观测数据的频域分析
小结
综上所述，本研究针对MEMS重力仪在实际应用中长期面临的灵敏度瓶颈问题展开，标志着重力测量领域的一次重要进展。通过将准零刚度（QZS）弹簧与面积可变电容位移换能器（ACDT）相结合，该研究实现了MEMS重力仪前所未有的测量精度。所提出的创新性两步调谐技术，将饱和离子增强横向等离子体减薄与热-机械耦合相结合，实现了对弹簧刚度和电容换能器灵敏度的精确调控。经过这种精调，MEMS弹簧-质量系统的谐振频率低至0.6 Hz，这在以往的MEMS器件中尚属罕见。
环境扰动抑制系统的引入进一步增强了MEMS重力仪的长期稳定性，并提升了其对多种工作环境的适应能力。在为期45天的地球潮汐测量中，标定结果显示，该MEMS器件初始线性漂移为86 μGal/天，标准差达到2.3 μGal，并在0.14 Hz处实现了0.1 μGal/√Hz的本底噪声水平，使其成为迄今为止文献报道中最灵敏的MEMS加速度传感器。此外，电磁反馈控制模块的引入将其工作带宽拓展至108 Hz，使MEMS重力仪能够覆盖几乎所有自然地球运动，包括地震、微动和潮汐等。这些成果表明，该MEMS重力仪在性能上具备与传统重力仪竞争的潜力，而后者通常体积庞大且成本高昂。上述研究工作标志着该领域的一个重要里程碑，并为高精度MEMS重力仪的实际应用奠定了坚实基础。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01039-6
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