地震勘探用三維MEMS加速度傳感器的研究*

諶貴輝，劉建生，李 禮，楊 帆

(西南石油大學電子信息工程學院，四川成都610500)

0 引言

目前，地震信號傳感器——檢波器仍然沿用傳統的、老式的動圈式機電感應傳感器。這種傳統的檢波器在體積、堅固性、靈敏度和失真度等技術性能上有了長足的進步，但機械式的傳感器的某些固有缺點卻難以克服，如，動態范圍小，最多達60 dB;對10 Hz以下的低頻地震信號無能為力;在三分量應用中各軸向之間干擾嚴重，靈敏度低，誤差大。石油工業理論證明，利用地震波中的橫波分量(S波)數據能識別和估計地下巖性和孔隙度等油藏特征，但是現在進行的油藏描述工作采用的主要手段仍然是基于縱波(P波)的傳統地震方法，橫波的利用則進展不大，原因是利用傳統的地震檢波器進行三分量地震勘探中獲得的橫波數據質量不理想，特別是難以達到軸間抗干擾指標(即矢量保真度指標)，再加上野外施工中檢波器的傾角和方位誤差、各軸向間的靈敏度誤差等因素都使P波和S波信號相互混淆［1］。

使用MEMS技術的檢波器所接收到的地震數據可以在最終疊加數據上保留至3 Hz的地震信號，高頻分量也有明顯的提升，其動態范圍大于100 dB，在三分量地震勘探中，能更好地分離P波和S波。但目前三分量數字傳感器是用3只MEMS加速度傳感器正交直角安裝成的三分量數字傳感器，這樣不便于檢測同點的三維地震信號。本文設計了一種基于電容結構的三維MEMS加速度傳感器，這種加速度傳感器擬采用微電子加工技術在兩塊基片上研制出能檢測到三維地震波信號的MEMS檢波器，即在X，Y，Z方向微加工出三套電容性機械振動系統。新型MEMS數字檢波器的應用和推廣，必將促進油氣勘探和開發工作的技術進步，對降低勘探、開發風險和提高油藏采收率有著重要意義［2］。

1 三維MEMS加速度傳感器系統結構

三維MEMS加速度芯片是分別對兩塊硅基底，采用表面工藝和體工藝相結合的加工方法，利用磁控濺射、光刻、化學刻蝕及等離子體刻蝕等技術手段，再對準鍵合、封裝，制作X，Y，Z方向三套電容性機械振動系統，設計外圍輔助電路，進行信號的采集和調理工作，使之輸出三路模擬電壓信號，再屏蔽、封裝等處理后構成性能可靠的三分量加速度傳感器。這有別于傳統三分量MEMS傳感器，傳統三分量數字傳感器普遍是用3個MEMS加速度傳感器芯片正交直角安裝成的三分量數字傳感器［3，4］，這樣很不經濟，也不便于反映出同一點地震波信號。

三維加速度單軸均采用閉環檢測電路，如圖1所示。

圖1 三維加速度單軸檢波器檢測電路Fig 1 Detecting circuit of 3D acceleration single axis detector

電容效應加速度傳感器的質量塊上濺射金屬良導體附著在懸臂硅梁上作為活動電極，并夾在兩個固定電極之間，組成一個差動平板電容器。當有加速度a作用時，活動極板將產生偏離中間位置的位移，引起電容ΔC變化，變化量由開關—電容檢測電路檢測并放大輸出，再由脈沖寬度調制器感受且產生2個調制信號VE和，并反饋到電容器的活動和固定電極上，引起一個與偏離位移呈正比且總是阻止活動極板偏離中間位置的靜電力，這就構成了脈寬調制的靜電伺服系統。脈沖寬度正比于加速度a，經過低通濾波器的脈沖寬度調制信號VE類比于傳感器的輸出電壓VC，實現了通過脈沖寬度測量加速度a。

2 三維加速度傳感器系統仿真模型

三維加速度傳感器系統整體仿真模型如圖2所示。其中三維加速度傳感器檢波器芯片的微結構從動力學角度看，是一個單自由度的有粘性阻尼的彈簧質量系統。當傳感器受到加速度時，由于慣性，質量塊將相對于加速度方向運動，同時受到同向的慣性力和反向的彈簧彈性力和粘性阻尼力作用。令m為質量塊的質量，B為粘性阻尼力系數，K為彈簧彈性系數，x為質量塊相對于加速度方向移動的位移，a為外部輸入的加速度信號，這個加速度引起懸臂梁撓度變化，從而引起電容改變，利用C/V轉換電路可得輸出電壓。利用PSPICE仿真軟件的可變導納子電路模型，調用行為描述模塊，可以得到其壓控電容模型。此外模型中還包處理電路模塊，處理電路模塊包括調制解調器與二階低通濾波器，其中PID控制器用來對系統進行補償，設其控制參數分別為KP，KI，KD，則此模型的閉環傳輸函數為［5］

其中，Kpo為系統增益系數，KF為反饋電路增益系數，m為質量塊的質量，B為粘性阻尼力系數，K為彈簧彈性系數。一般而言，傳感器微結構的參數(K，B)越小，PID控制器對系統的控制作用越強。在設計時盡量采用較小的彈性系數和阻尼系數。

圖2 單軸檢測系統的整體仿真模型Fig 2 Overall simulation model of single axis detecting system

3 仿真結果

圖3 系統階躍響應Fig 3 Step response of the system

根據建立的系統模型，令傳感器的具體參數為:質量塊質量 m=20×10－6kg，粘性阻尼力系數 B=3×10－3Ns/m，彈簧彈性系數K=40 N/m。同時設置PID控制參數分別為KP=5，KI=0.05，KD=0.0025。當對其加 1gn階躍加速度，并分析瞬態響應，可得如圖3所示的階躍響應，其穩態響應建立時間大約為200μs。當給系統輸入幅值為1gn，頻率為200Hz的正弦波時，得到其響應曲線為圖4所示。仿真結果表明:系統輸出響應和輸入加速度基本一致。當然這個結果是沒有考慮系統寄生電容等參數，且和PID控制器參數設置有關，PID參數設置恰當可以使系統的增益減小，但卻大大減小了系統的響應時間和調節時間，同時對系統的相位補償作用也顯著。

圖4 系統正弦響應Fig 4 Sinusoidal response of the system

4 結論

根據硅結構三維MEMS電容式加速度傳感器的特點和結構建立其系統模型，并用PSPICE描述語言實現，對該加速度傳感器模型的階躍響應、正弦穩態響應分別進行了模擬仿真，仿真結果和理論分析近似相同，表明該模型能夠反映電容式加速度傳感器的各性能指標。

基于三維MEMS的新型高精度地震檢波器是專門針對多分量、高分辨能力、高信噪比、高保真度、高清晰度、高精度設計的采集系統，它的使用與推廣，使得操作效率大幅提高，從而有助于多分量采集成本的降低，使轉換波數據的處理解釋質量也大大提高［6］。

［1］Macwell P W，Burch D N ，Crlss C J.Principles behind vector acquuisition［C］∥Expanded Abstracts of 74th Annual Internat SEG MTG，2004:1－4.

［2］Rainier A，Michael M.Prospection and exploration of Alpine salt deposits—A challenge for geologists and geophysicists［J］.Journal for Exploration，Mining and Metallurgy，2003，56:257－264.

［3］張 莉，解文榮，李秀榮.基于微電子系統MEMS加速度地震勘探三分量數字檢波器簡介［J］.中國煤田地質，2006，18(2):57－59.

［4］Lemkin M A，Boser B E，Auslander D，et al.A 3-axis force balanced accelerometer using a single proof-mass［C］∥1997 International Conference on Solid-state Sensors and Actuators，1997:1185－1188.

［5］Kraft M，Lewis CP，Hesketh TG.Closed-loop silicon accelerometers［J］.IEE Prix Circuits Devices Syst，1998，145(5):325－331.

［6］陳金鷹，龔江濤，龐 進，等.地震檢波器技術與發展研究［J］.物探化探計算技術，2007，29(5):382－385.