mems数字检波器简介及指标分析.pdf

2 0 1 3年 1 2 月 物 探 装 备 第 2 3卷第 6期 · 专论 与综 述· ME MS数字检波器简介及指标分析 韩 晓 泉 ( 英 洛瓦物探装备有限责任公司 ， 河北涿州 0 7 2 7 5 0 ) 摘 要 韩 晓泉． ME MS数字检波器简介及指标 分析． 物探装备 ， 2 0 1 3 ， 2 3 ( 6 ) ： 3 5 1 ～3 5 5 本文简要介 绍 了 ME MS数 字检 波器 的发展 历史 、 工作 原理 、 应 用领域 重 点对用 于石 油地震 勘探 的 ME MS 数 字检波器进行 了指标 分析 ， 并就 一些比较容易混淆 的概念进行 了解释 关键 词 地震仪器ME MS数 字检波器 专用集成 电路 数 字信 号处理器 ABS TRACT Ha n Xi a o q u a n ． B r i e f i n t r o d u c t i o n o n M E M S d i g i t a l g e o p h o n e a n d i t s s p e c i f i c a t i o n s ． E GP， 2 0 1 3， 2 3 ( 6 ) ：3 5 1 ～ 3 5 5 Th i s p a p e r i n t r o d u c e d t h e h i s t o r y，o p e r a t i n g p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n o f t h e M EM S i n b r i e f ．Th e k e y s p e c i f i c a — t i o n s a n d s o me c o n f u s i n g q u e s t i o n s o f M EM S f o r g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g a p p l i c a t i o n a r e d e s c r i b e d t o o ． Ke y wo r d s s e i s mi c i n s t r u me n t ，MEMS ( Mi c r o — El e c t r o — Me c h a n i c a l S y s t e ms ) ，AS I C( Ap p l i c a t i o n — S p e c i f i c I n t e g r a t e d Ci r c u i t )，DS P( Di g i t a l S i g n a l Pr o c e s s o r ) 0 引言 自 2 0 0 2年美 国 I ON 公 司推 出首 套基 于 ME MS 数字检波器 的地震勘探仪器 S y s t e m I V以来 ， ME MS 数字检波器 以其优越 的特性引起 了诸多技术专家的 兴趣 ， 被认为是本行业的第三次重大技术革命 ( 前两 次分别是 3 D勘探和 2 4位采集技术的应用) 。

十年 来 ， 笔者有幸参与了多次关于该项课题的技术讨论 ， 并借助工作之便参观过专业 的生产线 ， 更加难能可 贵的是得到了很多本行业技术专家 的指导和帮助 ， 所以想把多年来 曾经 困扰我 的问题加 以总结， 与各 位同仁分享 ， 希望能对本专业 的发展尽点微薄之力 并得到各位 同仁的批评指正 1 历史沿革 人类生活在地球上 ， 总是想方设法来改善 自己 的 生活 ， 总 想感 知周 围事物 的变 化 ， 小到 温度 、 压 力 、 风 向、 流量等 ， 大到预判地壳运动、 星际探索等 ， 各种 类型的传感器便 由此而生随着科技的不断进步 ， 传感器的种类和形状也在不断创新 ， 当人们拿着首 款触摸屏( 内置 ME MS传感器) 炫耀的时候 ， 商 家获 得 了利益 ， 用 户得 到 了愉 悦 ， 就是 在这 种利 益与 愉悦的相互促进中， ME MS数字传感器得到了不断 的发 展 ME MS是 微 机 电系 统 ( Mi c r o — E l e c t r o — Me c h a n — i c a l S y s t e ms ) 的英 文缩 写 ME MS是 美 国的 叫法 ， 在 日本被 称为 微机 械 ， 在欧 洲被 称为微 系 统 ， 它 是指 可批 量制 作 的 ， 集 微 型 机 构 、 微 型 传感 器 、 微 型执 行 器以及信号处理和控制 电路、 直至接 口、 通信和电源 等于一体 的微型器件或系统 。

ME MS是随着半导 体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的 发展而发展起来的， 目前 ME MS加工技术还被广泛 应用于微流控芯片与合成生物学等领域 ， 从 而进行 生物化学等实验室技术流程的芯片集成化 同时 ， ME MS技术在航空、 航天、 潜海 、 战事监控等军事领 域有着广泛地应用 ， 所以该项技术在军方一直处于 保密研究状态 ， 虽然在一方面促进了 ME Ms技术的 发展 ， 但 由于技术保密的原因也 限制 了该项技术 的 * 韩晓泉 ， 男 ， 1 9 6 7年出生 ， 高级工程师 ， 东方地球物理公 司专家1 9 9 0年毕业于浙 江大学生 产过程 自动化专业 ， 长期从事地震仪器 的研发工作 ， 现任 I n o v a公司中 国研发总工程师 物 探 装 备 国际交 流 与进一 步发 展 ME MS第 一 轮 商 业 化 浪 潮 始 于 2 0世 纪 7 O年 代末 8 0年代初 ， 当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻 膜片制作压力传感器由于薄硅片振动膜在压力下 变形 ， 会影响其表面的压敏电阻走线 ， 这种变化可以 把压力转换成电信号后来的电路则包括电容感应 移动质量加速计 ， 用 于触发汽车安全气囊 和定位陀 螺仪 。

第二轮商业化 出现于 2 O世纪 9 O年代 ， 主要 围 绕着 P C和信息技术 的兴起 TI 公司根据静 电驱 动斜微镜阵列推出了投影仪 ， 而热式喷墨打印头现 在仍然大行其道 第三轮商业化可以说出现 于世纪之交 ， 微光学 器件 通过 全光 开关及 相关 器件 而成 为光 纤通 讯 的补 充尽管该市场现在萧条 ， 但微光学器件从长期看 来将是 ME MS一个增长强劲的领域 推动 第 四轮商 业化 的其 它应用 包括 一些 面 向射 频无源元件、 在硅片上制作的音频 、 生物和神经元探 针 ， 以及所 谓 的片 上实 验 室 生 化药 品开 发 系统 和 微 型药品输送系统的静态和移动器件口 ] 在地球物理勘探领域 ， 数字检波器出现之前 ， 地 震勘探广泛使用动圈式模拟检波器 模拟检波器是 一 个简单的多线 圈无源系统 ， 通过电磁感应原理 ， 它 能把模拟速度信号转换成电压信号 ， 并把 弱信号送 至中间盒式箱进行数字化 动圈式检波器主要存在 以下几 点 不足 ： 1 )动态 范 围 小 ( 小 于 6 0 d B ) ， 不 能 同 时 检 测 强 信号 和 弱信 号 ， 不 能 与 2 4位数 字 地震 仪 器 匹配 ( 1 2 0 d B) 。

2 )灵敏度差、 响应频率范围窄 ， 不能 同时检测 深层低频地震信号( 小于 5 Hz ) 和分辨率所需要的高 频 信号 3 )矢 量 保 真 度 低 ( X、 Y、 Z 轴 间 串 扰 大 于 4 O ) ， 使得难以分辨 P波和 s波 4 )因采用动圈式电磁感应原理 ， 容易受环境电 磁场 干扰 ， 特别 是工业 电磁 场干扰 ， 环境 干扰噪音大 数字检波器 的核 心是 ME Ms加 速度传感 器 ME MS加速度传感 器的原理是将振动加 速度的变 化转换为差分电容的变化 ， 受环境电磁干扰影响小 采用这种 ME MS传感器的数字地震检波器性能指 标有了大幅度的提高ME MS数字检波 器所接收 到的地震数据可 以在最终叠加数据上保 留低至 3 Hz 的地震 信号 正 在发 展 中的新 型地 震检 波器 低频 响 应 一直 能 到 1 Hz 甚 至 以下 ， 其 在 0 ～ 5 0 0 Hz 之 间 的 频率响应 曲线几 乎平坦 其动态 范围 已达 1 2 0 d B ( 传统检波器小于 6 0 d B ) ， 使得地震仪器 1 2 0 d B的动 态范围的指标能真正发挥作用 。

更重要的是它具有 很好的矢量保真性能 ， 其轴间串扰只有 1 ， 用 于三 分量地震勘探能更好地分离 P波和 s波 ， 可以看 出 ME MS数字 检 波器 弥补 了 动 圈 式 电磁 感 应 检 波 器 的缺陷因此 ， 基于 ME MS数字检波器 的新一代高 精度数字地震数据采集系统可望为深层油气 的勘探 开发提供关键技术支撑_ 2 ] 2 工作原理 如图 1所示 ， 数字检波器的核心部件包括三个 主要部分 ：即 ME MS加速度传感器芯片、 AS I C( 专 用集成 电路) 伺服电路及 DS P( 数字信号处理器) 数 字 抽取 滤波 前 端 ME MS敏 感 器 件感 应 外 界 振 动 引起 的加速 度变 化 ， 从 而 反 映 在 内部 电容 比 的变 化 ( 业界常用的电容 比式传感器 ) ， 伺服电路 AS I C将 电容比的变化量还原为加速度 的变化量 ， 再通过采 样技术 的 ∑ △调制 电路转换成一位数据位流 ， 送往 下级 DS P抽取滤波 ， 最后形成地震勘探所需要的 2 4 位地震数据在此专门解释一下为什么要采用静电 力反馈 ， 也就是人们常说 的闭环控制 。

主要原 因是 因为传感器 的空 间有限 ， 内部质量块的移 动范围受 到限制 ， 所 以要 保 证 1 2 0 d B动 态 范 围 的 情 况 下 ， 就 只能通过增加外反馈力将质量 块强行拉 回 中间位 置 ， 然后通过测量反馈力 的大小来计算质量块本来 要 移动 的距 离 如 果 没有 外 反馈 力 ， 任 由 质量 块 随 着外界加速度的变化而移动 ， 那么在强外力 的情况 下 ， 容易造成传感器死锁 ， 这 就是所谓 的开环控制 ， 目前 市 场 上 常 见 的低 成 本 工 业 用 模 拟 输 出 的 ME MS检波器大多是这种开环控制传感器 图 1 数 字检 波器结构框图 ME MS是一种加速度型传感器 ， 加速度计的敏 感元件组成 如 图 2所示 ， 由弹 簧、 验证 质量 ( 惯性 体) 、 阻尼器组成，而且可 以二阶线性常微分方程式 第 2 3 卷第 6期 韩 晓泉 ： ME MS数字检 波器简介及指标分析 阻尼 簧 图 2 加速度计敏感元 件工作原理 描述 的振动系统敏感元件 固定于仪器外壳 ， 当外 壳产 生 位移 时 ； 由于 惯 性作 用 验 证 质 量 产 生 的相 对位 移 z可 以下式 描述 ： 一 m + 6 d x+ 一 。

1 ) m d 2 x+ 6 d x+ b — ( 2 ) 式 中： d Z y表示仪器的输入加速度 ；m 为惯性体质 量 ； 为弹性系数 ； z为位移 设 a为加 速度 ， 因此 有 ： 撇= = =疋 z ( 3) a= k x m ( 4 ) 加速 度 灵敏 度 定 义为 ： S 一 三 一 ( 5 ) a 息 通过上式可 以看 出， 质量块越大或弹性系数越 小则系统 的灵敏度越高 ， 所以在设计 MEMS的结构 时通 常都 是 在有 限的空 间里 尽 可能用 大 一点 的质 量 块 ， 同时利 用真 空封 装来 减 小 阻尼 3 应用领域 3 ． 1 在军事中的应用 ( 1 )MEMS引信／ 保险装置已成功应用 于潜艇 鱼雷对抗武器上 ， 包括发射鱼雷后 ， 解 除炸药保险 ， 引爆引信和防止在不正确 的时间爆破保险等 ( 2 )ME。