重力仪（Gravimeter）用于测量重力加速度，在地质灾害预测和勘探等地球物理应用领域具有重要价值。传统的重力仪由于体积庞大、成本高昂，限制了其应用场景。微机电系统（MEMS）凭借微型化与集成化优势，能够实现低成本的小型重力仪方案，可以实现大规模部署。然而，现有的MEMS重力仪在实现超高灵敏度方面，仍面临着制造公差和器件尺寸的限制。

据麦姆斯咨询报道，近期，西北工业大学黄维教授、王小旭教授、卢乾波副教授等研究人员开发出一种结合了自由形式反弹簧（F-AS）设计和光学读出器的微伽（μGal）级微光机电系统（MOEMS）重力仪。通过多级算法设计，该MOEMS重力仪无需采用高深宽比的弹簧结构即可实现高加速度灵敏度，并通过集成光学光栅读出器获得了皮米（pm）级位移检测精度。凭借高性能、小尺寸等优势，该MOEMS重力仪将在工业、国防与地球物理等应用领域展现出应用潜力。相关研究成果以“A μGal MOEMS gravimeter designed with free-form anti-springs”为题发表在Nature Communications期刊上。

在这项工作中，研究人员展示了一种基于局部可调自由形式反弹簧优化设计与高度集成光栅读出器的MOEMS重力仪。研究人员针对弹簧设计开发了一种多级优化算法，实现了全局优化与局部微调的双阶段策略。第一级优化用于确定反弹簧几何形状的全局设计，第二级优化是对其几何形状进行局部微调，以满足多重设计的要求。此外，通过定制化加工和封装方式，降低了其内应力以及外部温度和压力的影响，显著提升了MOEMS重力仪的长期稳定性。

图1 MOEMS重力仪传感单元示意图

图2 自由形式反弹簧的多级优化设计

图3 MOEMS重力仪的微加工和封装过程

该MOEMS重力仪的芯片级弹簧-质量系统经过优化，在未采用高深宽比的弹簧结构的情况下，实现了超95 μm/Gal的高加速度-位移灵敏度（谐振频率低于2 Hz）。基于光栅的光学读出器能够以1.2 pm/√Hz灵敏度实现位移测量，并且可与MOEMS工艺高度集成和兼容。该MOEMS重力仪的性能通过长周期测试得到了验证。与商用大型重力仪对比表明，该MOEMS重力仪的日漂移率为153 μGal，在0.5 Hz时噪声水平为1.1 μGal/√Hz，在0.45 Hz时噪声水平低于0.3 μGal/√Hz。此外，该MOEMS重力仪可清晰观测地球潮汐的日波与半日波分量，测量数据与商用重力仪的数据相关系数达0.9218，验证了其灵敏度与长期稳定性。

图4 MOEMS重力仪机械传感单元的性能测试

图5 基于光栅的位移测量单元的性能测试

图6 MOEMS重力仪原型的性能测试

这项研究工作提出的MOEMS重力仪凭借其小型化与高性能优势，为地球物理研究提供了便携式精密测量平台，有望应用于资源勘探与灾害预警领域。研究提出的局部可调自由形式反弹簧多级设计方法，为高自由度复杂结构的优化开辟了新的路径。基于其性能优势和量产潜力，该MOEMS重力仪将在工业检测、国防安全、民用和科研等领域展现出广阔的应用前景。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57176-z