基于MEMS传感器的速度型地震计技术研究

地球物理学是以观测为基础的科学 ，自从地震仪器的出现并建立了以仪器观测为基础的方法之后，地震学才得到迅速的发展 .经过几代的发展，地震计已经由最初的机械杠杆放大熏烟记录发展到现在整合了电子技术和计算机技术的数字测震时代，频带范围和探测精度也得到了相当大的提高，使地震学的研究和发展进入了-个新的阶段 ， .随着地震科学深入研究发展和对月球、火星等空间探收稿日期 2012-08-10； 修回日期 2012-12-31. 投稿网址 http//基金项目 中央级公益性科研院所基本科研业务专项(D BllC30)资助。

作者简介 胡星星，男 ，助理研究员，博士研究生.研究方向：地球探测与信息技术.(E-mail：huxx05###sohu.corn)地球物理学进展 htp// 28卷测的需要3]，结合现代电子及计算机技术的发展，现代地震传感器也需要朝着低功耗、微型化、芯片化、智能化、网络化、低成本高可靠的方向发展，并能够实现全频带观测3 ].现代基于机械重锤拾震的摆”式(动圈式机电感应)测震仪虽然有噪声低分辨力高、动态范围大的特点，但在应用中也明显表现出其存在的不足：1)重量大(-般达到十几 kg)、体积大，不方便运输和储存；2)频带窄，宽频带地震计频率范围-般为几十秒到几十赫兹；3)功耗大；4)拾震部件机械加工精度要求高，制造成本大；5)仪器芭要求严格，需要人工精心调节其水平姿态和方向，难以适应遥测和智能化现代传感器要求；6)关键的拾震机械构件容易损坏，怕冲击，怕碰撞，搬运和保养不易.因此，开发新型地震传感器是现代地球物理观测技术发展的迫切要求3 ]。

微电子机 械系统 (Micro Electro MechanicalSystems，MEMS)是以集成电路工艺和微机械加工工艺为基础，将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为-个整体单元，具有体积孝重量轻、功耗孝成本低、易集成、抗冲击、过载能力强和可批量生产等特点l7 .目前已有以MEMS技术制作的微机械地震加速度计，体积不及-个硬币大小，只有毫瓦级功耗，而在±3 g(g为地球重力加速度值)的测量范围下可达 120 dB的动态范围，噪声仅有300500 ng/ Hz ，可以应用于强震观测.与传统机械重锤拾震动圈有源伺服式加速度地震计(强震计)相比较，MEMS加速度计除在体积、重量、功耗、成本方面具有显著优势外，还几乎克服了动圈式地震计的所有缺点：它的频带范围可达 DC～1500Hz；抗冲击力 500 g；由于在任意倾角下 MEMS传感器均能正常工作，因此仪器芭姿态也没有动圈式地震计那样的严格要求，可以通过坐标变换的方式把测量结果转换到大地坐标系I1 .此外，MEMS技术还可以集成微功耗的芯片仪器”，便于布设低成本、高密度的现代无线传感器网络。

为了能够测量弱地震或远地震，需要使用高灵敏度的速度型或位移型地震计.这是因为频率较低的地震信号在传播中损耗更小，传播距离远；且在相同的加速度振幅下，低频信号比高频信号有更大的速度振幅和位移振幅(速度振幅跟频率成反比，位移振幅跟频率的二次方成反比，所以加速度地震计更适于测量近距离的强震，又称作强震计”).由加速度地震计到速度地震计，最直接的方法就是在加速度 传 感 器 的 输 出 加 上 积 分 电路，比如 美 国GEOTECH公司的宽频带地震计 KS-2000和-些差分电容拾震式地震计[1 ]就是这种方案.但由于运算放大器等电子器件的非理想性参数，使看似简单的基本运放积分器存在很大噪声和漂移，宽频带小积分常数时甚至使积分器输出饱和堵塞而不能正常工作1。 .为了降低漂移，有的采用负反馈方法成为近似积分器1 ，但在旋分时间常数时频带很难向低频扩展.有的在数字积分器方面作了有益的探索，但由于存在模拟信号的采样误差、计算机运算时的有限字长误差及其误差积累，使数字积分器不能用于长时间工作1 .还有的采用模数混合的方法来降低积分器的漂移1 ，用寄存器来保存和补偿积分器的漂移误差，延长积分器的工作时间1 .中科院研制了基于斩波原理的长时间积分器 2 ，用于热核聚变反应堆的探测，它降低了积分器的漂移，使积分器在-定时间内的漂移误差被限制在允许范围内，但是仍不能用于连续工作.KS-2000采用大的积分时间常数(220 ms)和限制低频带宽来缓解这-问题，大积分时间常数的结果是牺牲了仪器本应有的灵敏度，且在高频端达不到满幅电源电压输出，压缩了高频端的动态范围.成品MEMS加速度计的灵敏度较低(-般只有 1.2 V/g)2 ，只能选择旋分时间常数的积分器.因此，在 MEMS速度型地震计的研究中，无漂移低噪声的积分器研制是-个关键因素.本文提出了斩波对称多相积分式积分器，克服了积分器本身的漂移，能够持续工作，并具有很低的噪声。

用成品MEMS加速度计研制的速度型地震计，经实测峰-峰值动态范围可达 94 dB，频带宽度在实际测量的 100 s100 Hz范围内平坦.并在文后提出了- 种MEMS传感器信号解调方法以研制高分辨率MEMS速度型地震计的研究方案。

1 MEMS加速度计积分式速度型地震计技术研究MEMS震动传感器采用差动电容结构E2，23]，对输入加速度响应平坦.为提高低频端信号的感应灵敏度，获得速度信号的输出，需要积分放大器的处理电路。

1.1 基本积分器存在的问题由运放和阻容元件构成的基本积分电路中，由1期 胡星星，等：基于MEMS传感器的速度型地震计技术研究g em- 1≈5000(倍)。

由于任何有源半导体器件都会存在较大噪声，成品 MEMS加速度计的输出噪声经积分电路的放大后(对于积分时间常数 r-3.2 ms的积分器，频率高于50 Hz的噪声实际被衰减)，使仪器的信噪比恶化.因此用 MEMS加速度计输出直接积分构成的速度型地震计，虽然有很宽的频带范围，但分辨力降低，动态范围受到压缩，仍然只适于中强震观测。

从结构看，MEMS加速度计的传感器是-个采用微机械加工工艺和 IC工艺在硅材料的基底上制做的差动电容，-般都是中间电极结构2 引.在差动电容的两极施加高频激励，中间电极为输出.当传感器感受到地震反射信号后中间电极发生相对位移，使两边的电容值发生相反方向的变化，经 C-V变换和调理电路处理后输出加速度电信号2引.传感器差动电容的结构及其对信号的调制过程正好相当于-个斩波器，它把中间电极的位移变化(正比于外界加速度)斩波变换成-个调幅的高频载波电信号输出.因此可以设想，以斩波对称多相积分式积分器作为MEMS传感器的解调电路，差动电容作为此积分器的斩波器，则能够避免 MEMS加速度计的解调电路带来的噪声，可以获得高灵敏度低噪声的速度信号的输出。

3 结 论由于MEMS传感器的诸多优势，适应未来地震传感器发展的要求，而传统动圈式地震计在实际应用中日益表现出了其所固有的缺陷，因此研发基于MEMS传感器的宽频带、高分辨力高动态范围的速度型地震计是当前地震传感器发展和应用中的迫切需要.本文研制了斩波对称多相积分器，克服了积分放大器本级的漂移和噪声.用成品MEMS加速度计研制的速度型地震计，其频带低频端为 200 S(在振动台可测试的 100 S～100 Hz范围内仪器响应平坦)，动态范围94 dB，验证了以MEMS传感器研制速度型地震计的可行性.斩波对称多相积分器原理可用于新型的MEMS传感器解调电路，以获得高分辨率和高动态范围的MEMS速度型地震计。

致 谢 在本文研究过程中得到了周鹤呜研究员和周海南副研究员在电路设计和实验调试方面的帮助，还得到了中国测震台网质检中心马洁关博士和张吻工程师的热忱帮助，在此-并表示衷心感谢。