新型MEMS地震检波器的研究

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差减小较大， 在 8 %～ 12 % 之间。但在信标节点占全部节点 比例大且网络密度较高的情况下 2 种算法的定位误差相 改进的算法比较适合网络密度低， 且信标节点占 近。可见， 全部节点比例小的情况 。 Hop 算法在不同锚 图 2 描述了本文改进算法与原 DV节点比例的情况下定位误差的变化曲线 。 由图可以看出： 在相同的锚节点数目的情况下， 改进算法的定位误差要比 Hop 算法定位误差下降 3 %～ 5 % 。此外， 2 种算法的 原 DV定位误差都随着锚节点数目的增多大体呈现上升的趋势 。 由图可以看出： 改进的算法为锚节点比例为 10 % 时定位效 果最好。
正比关系， 且 总 是 阻 止 活 动 极 板 偏 离 的 静 电 力 F （ t） = 1 V（ t） 2
2
md0 C ， a， 此静电力总是等于 ma， 所以， 有 VC = 2 εAV E x VC md2 0 = 。可见极板间距离， 直流偏 a 2 εAV E
2
C1 ， C2 分别为上下电容值， d0 为静态时电容的极板
［ 1］ Niculescud，Nathb． AdHoc positioning system APS［J］ ． IEEE Communications Society， 2001 ， 5 （ 11 ） ： 2926 － 2931． ［ 2］ 孙利民， 李建中， 陈 2005． 华大学出版社， ［ 3］ 衣 ［ 4］ 赵 晓， 刘 瑜， 何 Hop 无线传感器网 友． 一种修正的 DVJ］ ． 江苏航空， 2009 ， 27 （ 1 ） ： 2672 － 2674． 络节点定位算法［ 昭， 陈小惠． 无线传感器网络中基于 RSSI 的改进定位算 J］ ． 传感技术学报， 2009 ， 22 （ 3 ） ： 392 － 394． 法［ ［ 5］ 解 慧 英． 无 线 传 感 器 网 络 中 一 种 改 进 的 DVHop 定 位 算 D］． 武汉： 武汉科技大学， 2008 ： 34 － 37． 法［ ． 北京： 清 渝， 等． 无线传感器网络［M］
b 为梁截面宽度， h 为梁截面厚度。 故在梁的自由端 （ x = L 处） ， 可得梁的最大挠度和转 4 FL3 F Ebh3 = 。可 所以， 悬梁的刚度为 K = 3， Y max 4 L3 Ebh
即 Y max = 角，
见梁的刚度与材料的选择及梁的具体尺寸有较大的关系 。
第8 期
吕
Hop 的修正和改进定位算法 振， 等： 基于 DV4 结束语
收稿日期： 2009 —12 —02
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传 感 器 与 微 系 统
第 29 卷
于加速度 a， 经过低通滤波器的脉冲宽度调制信号 V E 类比 于传感器的输出电压 V C ， 实现了通过脉冲宽度测量加速度 a。 2 微结构基本参数
2． 3
最小分辨率
ma =的结构尺寸 。经采用表面工艺和体工艺相结合的方法， 利用磁控溅射、 光刻、 化学蚀刻及 仿真， 等离子体蚀刻等工艺， 在高阻硅上制备出检波器样品 。 关键词： 微机电系统； 加速度传感器； 地震检波器； 仿真 中图分类号： TP 212 文献标识码： A 文章编号： 1000 —9787 （ 2010 ） 08 —0029 —02
随着微电子技术和计算机技术的飞速发展， 用于石油 计算机以及信号处理手段已经达到 勘探的数字地震仪器、 —检波器却仍然沿用传 很先进的水平， 但地震信号传感器— 统的、 老式的动圈式机电感应传感器 。而高精度， 高分辨率 的精细石油地震勘探， 要求采集的数据必须能达到高分辨 能力、 高信噪比、 高保真度、 高清晰度、 高精确度和高可信 “六高 ” 的要求， 才能实现 度。只有采集到的数据达到上述 真正的高分辨率数据处理， 用地震勘探技术解决复杂地质 而作为地震数据采集的地震检 目标的能力才能得到加强， 波器， 就 必 须 具 有 高 灵 敏 度， 高 分 辨 率， 低失真度的性 能
。
本文研制一种以基于 MEMS 伺服式加速度传感器为核 A / D 转换电路集成 心， 并与 C / V 转换电路， 前置放大电路， 为一体， 多选择输出（ 模拟量、 数字量） 的新型地震检波器， 对于降低勘探、 开发风险和提高油藏采收率有着重要意义。 1 总体设计 新型高精度 MEMS 地震检波器的原理如图 1 所示。
Research of new seismic geophone based on MEMS
CHEN Guihui，ZHAO Wanming，REN Cheng，XI Jianzhong
（ School of Electronics Information Engineering， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500 ， China） Abstract： Compared with the previous ones， a newtype seismic geophone based on MEMS acceleration sensors has greatly improved its performance． The structure characteristics and main technical parameters of the new type MEMS seismic geophone for oil exploration is introduced， how the specific size of structure of the newtype seismic geophone is achieved through mechanical property simulation of the structure of microsensor． A sample MEMS seismic geophone have been fabricated on the highresistance silicon wafer through the combination techniques of the surface machining and the bulk machining by using magnetron sputtering，photolithography， chemical etching and plasma etching and so on． Key words： MEMS； acceleration sensor； seismic geophone； simulation 0 引 言
2010 年 第 29 卷 第 8 期
传感器与微系统（ Transducer and Microsystem Technologies）
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新型 MEMS 地震检波器的研究
谌贵辉，赵万明，任 诚，席建中
（ 西南石油大学 电子信息工程学院 ， 四川 成都 610500 ） 摘 要： 以 MEMS 加速度传感器为基础的新型地震检波器大幅度提高了地震检波器的各项性能指标 。介 并通过微传感器结构的力学性能 绍了一种新型的石油勘探 MEMS 地震检波器的设计及其主要技术参数，
× 100 % ， 可
见电容相对变化量提高， 非线性误差大大降低。
2． 2
悬臂梁的刚度
加速度 MEMS 传感器悬臂梁结构的主要作用是支撑
悬臂梁作为加速度 惯 性 质 量 块 和 发 生 形 变 平 衡 外 力， MEMS 传感器重要的执行器， 它的参数选择和结构设计是 非常重要的， 直接关系到加速度传感的灵敏度 。 设微梁弯曲挠度为 Y， 微梁转角为 θ， 则有 1 1 1 Y= （ FLx2 － Fx3 ） ， EI z 2 6 θ= 式中 1 1 （ FLx － Fx2 ） ， EI z 2
[
]
C2 ， 使上下电容 C1 ， 发生变化， 如图 2 所示。 生位移 Δx，
故能测量的最小加速度为 a min = d0 KΔC min ． 2mC0 （ 1 + Δx2 / d2 0）
可见传感器的最小分辨率与梁的刚度 、 极板间距离、 静 态测量电容等有关。
图2 Fig 2 电容效应加速度传感器
［1～ 4 ］
图1 Fig 1
新型 MEMS 地震检波器
Newtype of MEMS seismic geophone
微传感器采用电容式加速度传感器， 敏感加速度质量 并 块上溅射金属良导体附着在悬臂硅梁上作为活动电极， 夹在 2 个固定电极之间， 组成一个差动平板电容器 。 当有 活动极板将产生偏离中间位置的位移， 引 加速度 a 作用时， 起电容 ΔC 变化， 变化量由开关—电容检测电路检测并放大 输出， 再由脉冲宽度调制器感知且产生 2 个调制信号 V E 和 VE ， 并反馈到电容器的活动和固定电极上， 引起一个与偏离 位移成正 比 且 总 是 阻 止 活 动 极 板 偏 离 中 间 位 置 的 静 电 这就构成了脉宽调制的静电伺服系统 。 脉冲宽度正比 力，
故闭环灵敏度为 ρ =
间距， Δx 为振动时电容极板间距的变化值 。 所以， 电容相对变化量为 x Δx Δx 3 Δ C C1 － C2 +（ ） + … ≈2 Δ ， = =2 d0 d0 C0 d0 C0 则相对非线性误差为 δ = 2 （ Δ x / d0 ） Δx =（ ） d0 2 （ Δ x / d0 ）
E 为材料弹性模量； I z 为截面惯性矩； F 为作用力； L
为梁长度； x 为梁任意一点位置。 对于矩形截面惯性矩则 有 Iz = 式中 bh ， 12
3
h = 4 μm； 对于反馈原理设计的加速度传感器， 活动电极和 固定电极间的间距 d0 一般很小， 本设计取为 1 μm， 通过上 述尺寸制作掩模板， 采用表面工艺和体工艺相结合的方法， 利用磁控溅射、 光刻、 化学蚀刻及等离子体蚀刻等手段制作 MEMS 微加速度传感器。 （ 下转第 33 页）
K 为梁的刚度。结合电容相对变化量为 块质量，
2． 1
相对非线性误差
当传感器感受到地震反射信号后， 悬臂梁中间电极发
x Δx Δx 3 Δ C C1 － C2 +（ ） + … ≈2 Δ ， = =2 则有 d0 d0 C0 C0 d0
2 ΔC 2 mC0 1 Δx = （ + 3 ） ． a K d0 d0
2． 4
闭环灵敏度
当悬梁偏离静态位置时， 引起一个与偏离位移 Δx 呈
Capacitance effects of acceleration sensors
C1 = C2 = 式中
ε0 A Δx Δx 2 Δx 3 =1 + +（ ） +（ ） +… ， d0 d0 d0 d0 + Δ x ε0 A Δx Δx 2 Δx 3 =1 － +（ ） －（ ） +… ， d0 d0 d0 d0 － Δ x
Hop 算法作了改进。对原算法中的平均每 本文对 DV并引入加权质心思想来进一步的提 跳距离值进行了修正， Hop 算法相比， 高定位的精度。仿真结果表明： 与原 DV改 进算法具有更高的定位精度， 此外， 改进的算法适合在在信 标节点占全部节点比例小且网络密度低的情况下使用定位 相对原算法定位理想。另外， 无需任何额外的硬件支持， 是 具有很高实用价值的算法 。 参考文献：
3 2
压等直接影响到加速度传感器的闭环灵敏度 。
2． 5
温度漂移与频带宽度等参数
材料的相对介电常数和介质损耗是温度和频率的函
[
]
数， 要减小温漂， 常采用 ε 随温度变化小的固体介质， 如硅 等； 影响带宽的因素主要是悬梁的结构尺寸， 此外还有电容 式传感 器 的 中 间 可 动 电 极 与 上 下 电 极 的 间 距 d0 ， 通常 MEMS 加速度传感器的频带宽度可达 500 Hz 以上这样所获 得的地震反射信息更丰富 。 3 微梁结构的力学性能仿真 从上述的各项参数可以看出： 悬臂梁尺寸结构对其都 有较大的影响， 因此， 在加工条件允许的前提下， 综合协调 各结构参数， 使各性能指标达到最佳， 使整体性能指标达到 综合的优化。采用有限元软件对梁的结构尺寸和极板间的 间距 d0 等进行模拟仿真， 如图 3 所示， 从而得到最佳结构 设计。图 3 分别给出了梁材料分别为硅 、 氮化硅和氧化硅 时， 梁的挠度 Y 与梁长、 梁宽和梁厚的关系。从这些仿真模 型可知， 梁的挠度是随梁长增大而增大， 随梁厚和梁宽增大 而减小， 但随梁宽变化不是很显著 。通过仿真研究后， 确定 微梁结构尺寸为： 梁长 L = 150 μm，梁宽 b = 40 μm， 梁厚