[发明专利]一种静电加速度计

说明书

技术领域

本发明涉及惯性传感、微震测量、资源探测、地球物理领域，更具体地，涉及上述领域中广泛使用的高精度静电加速度计。

背景技术

加速度计是一种测量加速度的仪器，在惯性传感、微震测量、资源探测、地球物理等领域具有十分重要的意义。目前高精度加速度计按反馈方式大体可以分为两类：一类是电磁反馈加速度计，一类是静电反馈加速度计。按加工方式大体可以分为三类：一类是基于高精度机械加工装配的加速度计，一类是石英加速度计，一类是MEMS加速度计。

高精度电磁反馈加速度计的代表为Streckeisen公司的STS2.5，采用高精度机械加工装配而成。它的精度非常高，噪声分辨率达到0.01ng/√Hz，但是整个仪器太大，总重量达到12kg，总体积达到11.3L，并且它的价格昂贵，达到几十万人民币。基于石英的电磁反馈加速度计受到工艺影响，检验质量不能做得很大，已公开的加速度计中噪声均高于1ng/√Hz。而基于MEMS的电磁加速度计代表有英国帝国理工大学Pike等人研发的加速度计，它体积小，噪声分辨率达到0.4ng/√Hz，但是研发成本高，工艺复杂。

高精度静电反馈加速度计的代表为欧洲航天局研制的用于空间重力梯度测量的GOCE加速度计，由于在太空中使用，该加速度计没有重力加速度的干扰，采用的是静电悬浮的方式，拥有6自由度的输出，配合高精度机械加工装配方式独有的大检验质量，噪声分辨率达到0.2pg/√Hz，量程只有几个ug，但是整个仪器不适用于陆基环境。其余基于MEMS的与石英的静电加速度计受到工艺影响，检验质量不能做得很大，已公开的加速度计中噪声均高于1ng/√Hz。

加速度计工作中，检验质量受到加速度带来的惯性力，与反馈执行机产生的反馈力达到平衡，检验质量处于平衡位置；当加速度计所处环境的加速度发生变化时，反馈执行机产生的反馈力会随之变化使反馈力与惯性力达到新的平衡，使检验质量保持在平衡位置。这一力平衡关系可用如下表达式描述：

m为检验质量，a为外界加速度，ε为差分电容极板间的气体的介电常数，A差分电容极板正对面积，d₀为平衡位置时的差分电容极板间距，V_b为静电反馈执行机中的静电偏置电压，V_f为反馈电压。从而加速度计标度因子可以表示为：

H_a为静电反馈执行机传递函数。而弹簧振子单元的机械热噪声可以描述为：

k_B为波尔兹曼常数，T为温度，为弹簧振子单元的本征频率，k为簧片的刚度，Q为弹簧振子单元的品质因数。为了使加速度计分辨率更高，弹簧振子单元机械热噪声应该更低。所以，弹簧振子单元的簧片需要尽量软，检验质量与品质因数需要尽可能大。但是质量大、簧片软，会导致簧片支撑力度不够，需要对簧片进行特殊的设计来满足支撑大检验质量的需求。

发明内容

针对现有高精度加速度计的不足，本发明提供了一种高精度静电加速度计；该加速度计中，弹簧振子单元中的簧片以刚度对称的方式支撑检验质量，能够实现低机械热噪声、高交叉抑制比。并以差分电容检测、静电反馈的方式，最终实现高精度、高稳定性的加速度测量，同时使加速度计的体积和质量都得到有效地减小。