星载硅微静电加速度计关键技术研究

高精度的空间加速度计作为重力探测卫星的核心敏感元件，用于测量重力卫星受到的非保守力或敏感重力梯度变化，以获得高精度、高空间分辨率的地球重力场模型。本课题以实现高分辨率的空间微弱加速度测量为目标，研究基于六自由度静电悬浮、硅加工工艺的六轴微静电加速度计，评估其可达到的精度极限，探索实现高分辨率、微型化、多轴集成式空间加速度计的新途径，为星载重力梯度仪、卫星非保守力测量及卫星无拖曳控制系统的研制奠定基础。研究内容包括：1）针对空间环境，研究硅微静电加速度计的误差机理和误差模型，评估其可达到的精度；2）研究多路微小电容检测方法，通过噪声特性建模与实验验证寻求提高检测分辨率的途径；3）研究六自由度悬浮系统的解耦控制与自适应变预载技术；4）研究微静电加速度计的地面测试方法，研制一套硅微静电加速度计地面试验装置，完成性能测试和精度评定。

在卫星提供的微重力环境下，超低量程的空间静电加速度计可提供非常高的分辨率，广泛应用于测定引起卫星轨道摄动的非保守力、卫星重力测量、卫星无拖曳控制、基础物理实验等空间微重力领域。本项目以实现高分辨率的空间微弱加速度测量为目标，提出基于玻-硅-玻结构、体硅加工工艺、六自由度静电支承的三轴MEMS静电加速度计，探索实现高分辨率、微型化、多轴集成式空间加速度计的新途径。. 本项目经过三年的研究工作达到了预期目标，主要研究内容及取得的成果包括：1）完成了硅微静电加速度计的噪声特性分析与建模，评估了空间环境下的噪声特性；2）完成了硅微静电加速度计的系统分析与结构优化设计，探索出一种基于玻-硅-玻键合、铝牺牲层的体硅工艺，成功加工出了硅微静电加速度计样片；3）提出了根据七路位移信号实现检验质量六自由度静电支承的解耦控制方法，研制了基于高速DSP的数字支承控制系统，成功实现了质量块六自由度稳定悬浮与性能测试，并通过实验验证了针对大气环境建立的动态支承刚度模型；4）系统研究了多种微小电容检测技术，分别设计了基于模拟开关、模拟乘法器和环形二极管解调的硅微静电加速度计地面实验装置，完成了超低量程硅微静电加速度计的初步性能测试。地面测试表明加速度计的量程可降低至2.9mg，灵敏度达到688.8V/g，噪声小于3.21×10-6g/Hz1/2 。. 根据公开资料，本项目组在国际上首次成功研制出超低量程、高灵敏度的MEMS静电加速度计样机，研究成果为在微小卫星上实现微弱加速度测量提供了新途径。基于本项目的技术成果，项目组与北京航天控制仪器研究所合作开展了硅微静电加速度计工程样机研制，探索这种高灵敏度的MEMS加速度计在空间微重力环境的应用潜力。