[发明专利]一种重力加速度传感器

说明书

本发明公开一种重力加速度传感器，包括：弹簧质量块结构，位移传感组件，上盖板结构以及下盖板结构；弹簧质量块结构包括：外框架、检验质量以及弹簧结构，检验质量在弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；位移传感组件包括：驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板，驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置交错相对，形成电容器；当平行于驱动周期阵列极板或拾取周期阵列极板方向的重力加速度分量发生变化时，检验质量运动使得电容器的相对极板面积发生变化，通过检测电容的变化量确定该方向重力加速度分量的变化量，当重力加速度传感器在Z轴方向工作时，检验质量在重力作用下下垂位移为一个或多个阵列周期。本发明可以实现三分量重力测量。

技术领域

本发明属于精密测量物理技术领域，更具体地，涉及一种重力加速度传感器。

背景技术

重力加速度传感器是一种测量重力加速度微小变化量的精密重力测量传感器。重力加速度传感器有别于消费电子领域中用于运动传感和工业控制领域中用于振动监测的加速度传感器，其根本区别在于量程、分辨率和偏值稳定性的幅值不同。用于运动传感和振动监测的加速度传感器的量程一般为1-100g，分辨率为1mg量级，且对偏值稳定性基本没有要求；而重力加速度传感器的量程一般为1mg量级，分辨率为1ng量级(约为重力测量常用单位1μGal，其中1g≈9.8m/s²，1Gal＝0.01m/s²≈1mg)，且对偏值稳定性有极高的要求。

重力加速度传感器通常作为相对重力仪的核心敏感单元，用于测量不同区域空间位置的重力加速度或者同一位置不同时间的重力加速度，也即区域重力场或者时变重力场的测量。高分辨率地测量地球重力场，对于地球物理科学基础研究、重力资源勘探、以及大地测量等具有重要意义。目前广泛使用的相对重力仪采用金属零长弹簧、石英熔融弹簧、以及细丝振弦型的重力加速度传感器，虽然这些重力加速度传感器的分辨率都可以达到10μGal以下，但是受技术本身所限，其制造成本高且制造周期长。2016年英国格拉斯哥大学发布一款基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的重力加速度传感器原理样机，并成功测量到了地球潮汐信号，但是其采用的光强位移传感器精度不高，其分辨率仅有40μGal，比传统重力加速度传感器的分辨率稍低，并且只能实现Z轴重力加速度测量，无法实现水平分量测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种微机电重力加速度传感器，旨在解决传统重力加速度传感器制造成本高且制造周期长的问题，以及解决现有MEMS重力加速度传感器分辨率较低且无法实现三分量重力测量的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种重力加速度传感器，包括：弹簧质量块结构，位移传感组件，上盖板结构以及下盖板结构；

弹簧质量块结构包括：外框架、检验质量以及弹簧结构，检验质量通过弹簧结构与外框架相连，所述检验质量在弹簧结构的约束下受外界力的作用而运动；所述弹簧质量块四周的外框架与上盖板结构和下盖板结构固连封装，用于实现位移传感组件的安装、所述位移传感组件与外界的电气连接，以及对弹簧质量块结构的限位保护；所述位移传感组件包括：驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板，所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板的位置交错相对，形成电容器，所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板中的一个位于检验质量表面，另一个位于上盖板结构或下盖板结构表面；当平行于驱动周期阵列极板或拾取周期阵列极板方向的重力加速度分量发生变化时，所述检验质量运动使得所述电容器的相对极板面积发生变化，通过检测所述电容器电容的变化量确定该方向重力加速度分量的变化量，当所述重力加速度传感器在Z轴方向工作时，所述检验质量在重力作用下下垂位移为一个或多个阵列周期，所述阵列周期为所述驱动周期阵列极板和拾取周期阵列极板周期性交错排布的最小单元；所述驱动周期阵列极板比拾取周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期，或所述拾取周期阵列极板比驱动周期阵列极板偏左和偏右各多出至少一个周期。

其中，上述电容器也可称为周期阵列电容器。