近日，国家精密重力测量科学中心团队在MEMS重力仪研发与应用领域取得重要进展。团队研制出一种力平衡式MEMS重力仪，解决长期制约MEMS重力仪应用的精度问题。该重力仪兼具0.1 µGal/√Hz的自噪声与DC-108 Hz的大带宽，并开展连续45天固体潮观测，残差标准偏差仅2.3 µGal，为MEMS重力仪走出实验室奠定了坚实基础。“Force balanced chip scale gravimeter achieving record low self noise of 0.1 μGal/√Hz”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。文章下载链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01039-6。

研究背景

精密重力测量在地球物理研究、资源勘探、灾害监测及自主导航等领域具有极其重要的应用价值。传统基于石英或金属弹簧的相对重力仪体积庞大、价格昂贵，限制了其广泛应用。MEMS重力仪凭借微型化、低成本和批量制造的优势成为发展趋势，但长期以来受限于精度不够，难以满足实际工况应用需求。

图1 MEMS重力仪标定及固体潮观测数据

主要研究内容

针对这一痛点，研究团队提出了基于准零刚度（QZS）弹簧-振子结构的阵列式电容位移传感方案。通过两步调节，重力仪本征频率低至0.6 Hz，实测在0.14 Hz处的自噪声为0.1 µGal/√Hz。为突破频率降低对带宽影响，团队引入电磁力平衡控制，将带宽扩展至DC-108 Hz，实现了从低频重力信号到地震信号的全频段监测。在为期45天的连续静态观测中，MEMS重力仪原始漂移率为86 µGal/day，补偿线性漂移并扣除理论固体潮信号后，残差标准差为2.3 µGal。

图2 MEMS重力仪本底噪声测量数据

该研究成果展示了MEMS重力仪精度水平与成熟商用仪器“同台竞技”的潜力。得益于MEMS技术的微型化、低成本的巨大潜力，MEMS重力仪在井中重力测量、无人机载重力测量、行星表面重力测量以及高密度连续重力观测网等领域具有广阔的应用前景。

华中科技大学国家精密重力测量科学中心自2010年起，由涂良成教授牵头开展MEMS重力仪研究工作。伍文杰副教授为论文通讯作者，博士生高乐为论文第一作者。研究工作得到国家科技重大专项、工信部高质量发展专项、国家自然科学基金等项目资助以及国家精密重力测量科学中心的平台支持。