Mems數字地震檢波器的製作方法
2023-05-11 11:33:21
專利名稱：Mems數字地震檢波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種地震檢波器，特別是涉及一種MEMS數字地震檢波器。
背景技術：
地震勘探法目前仍然是在陸地和海洋勘探石油和天然氣的主要手段，同時也是其他礦產資源的重要勘探方法，並廣泛應用於研究地球內部結構、工程勘探和檢測、地質災害預測等等方面。地震勘探中用來直接拾取地震振動，並將振動轉換為符合儀器記錄系統需要的能量形式的儀器，稱為地震檢波器。地震檢波器按使用環境可以分為陸上檢波器、沼澤檢波器、海上檢波器和井下檢波器等；按工作原理可以分為電磁感應式(動圈式)檢波器、 壓電檢波器、光纖檢波器和MEMS檢波器等；按輸出信號的物理量可以分為速度檢波器、加速度檢波器等；按輸出信號的類型可以分為模擬檢波器和數字檢波器。地震檢波器的指標決定了地震勘探儀器的主要技術指標。目前國內外使用最多的是動圈式地震檢波器，這種檢波器已經有50年的發展歷史，重量從最初的幾千克級發展到目前的幾十克級，在地震勘探中得到了廣泛使用。但由於其固有的機械特徵，這種檢波器靈敏度低、動態範圍小(60dB左右)、頻帶窄(10 200Hz)、 抗幹擾能力差、質量和體積都較大，而目前的地震儀器已經達到了 120dB的動態範圍，所以不能充分發揮地震儀器的作用。為了提高檢測地震信號的靈敏度和信噪比，一般都要把許多常規檢波器(通常是 12個至72個左右)檢波器串並聯在一起組合使用，這不僅給施工增加了勞動強度，降低了生產效率，還降低了勘探解析度。而且在野外使用中其連接電纜傳送的是模擬信號，抗幹擾能力差。常規地震檢波器對彈簧材料的要求很高，製造彈簧的工藝複雜、壽命短，同時彈簧的非線性畸變也是信號失真的主要原因。常規地震檢波器裡的磁鐵在撞擊和高溫狀態下容易退磁，這也是它壽命短和性能不穩定的重要原因。MEMS是微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems)的英文縮寫，是一種能進行電子感應或反應的超小型化機械器件。MEMS器件能用類似於半導體製造工藝進行相對低成本的大量生產。目前，MEMS器件廣泛應用於自動化設備(如氣囊感應器和發動機的各種壓力傳感器)和計算機元器件(如噴墨印表機噴嘴和硬碟讀寫頭)中。MEMS地震傳感器就是使用MEMS技術的地震傳感器。
發明內容
本發明目的在於克服現有技術的上述缺陷，提供一種靈敏度高、動態範圍大、頻帶寬、抗幹擾能力強、質量體積小的MEMS數字地震檢波器。為實現上述目的，本發明MEMS數字地震檢波器由採集地震信號的MEMS地震傳感器，用於低噪音電容信號放大和模擬力反饋的弱信號檢測及反饋電路，將來自弱信號檢測及反饋電路的模擬地震信號轉化成數位訊號的數位化單元，用於控制數位化單元，通信單元和供電電路的控制電路、用於接收主機系統控制命令和完成採集數據上傳的數據通信單元和用於向前述五單元供電的供電電路六大單元組成。本發明裝置採用模擬電路力反饋方式，特點是響應速度快，電路結構簡單。這是與國際上其他MEMS數字地震檢波器最明顯的區別。ION公司和krcel公司的MEMS數字地震檢波器均採用ASIC電路進行數位化方案， 本發明的ASIC電路先完成低噪音電容信號放大和模擬力反饋，然後加接地震勘探專用M 位的A/D轉換電路方式，這種方案有較寬的前放增益和較高的轉換精度，有利於應用於不同地區。本發明的數據通信單元提供了與地震儀器主機系統的數據通信功能，接收主機的控制命令和完成採集數據的上傳。與常規模擬動圈式檢波器相比，本發明MEMS數字檢波器具有重量輕、頻帶寬、動態範圍大、畸變小、抗幹擾能力強等優點，必將替代目前使用最廣的模擬動圈式檢波器。特別是由於反饋電路的引入，使得本地震檢波器的動態範圍達到IlOdB,小信號識別能力大大提高，真正成為傳統檢波器的替代產品，另外，本發明MEMS數字檢波器特別適用於單檢波器高密度採集技術。可適用於石油、天然氣、煤田及礦產勘探、地質工程勘察、地質災害監測等方面。作為優化，所述MEMS地震傳感器、弱信號檢測及反饋電路、數位化單元、控制電路、數據通信單元依次相連，供電電路共連前述五個單元。作為優化，所述MEMS地震傳感器採用三層矽片三明治結構，採用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質量塊結構單片製作。本發明的MEMS地震傳感器採用三層矽片三明治結構， 採用專門的鍵合工藝，與國際上採用的四層矽片三明治結構相比，具有製作工藝簡單，成品率高等特點。採用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質量塊結構單片製作、一次成型技術，既簡化了製作工藝，又可大大降低熱噪聲和交叉軸靈敏度。採用上述設計和工藝製作的MEMS傳感器的可靠性大大提高，將會明顯降低野外施工中的損耗率。作為優化，弱信號檢測及反饋電路進行低噪音電容信號放大和大動態範圍放大， 採用模擬力反饋電路提高信噪比。即本發明的弱信號檢測及反饋電路採用低噪音電容信號放大技術和大動態範圍放大技術，特別採用了模擬力反饋電路提高信噪比，有利於檢測弱信號成分，提高了傳感器的動態範圍，使得動態範圍達到IlOdB,滿足了高精度地震勘探的需要。作為優化，所述MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路直接連接併集成為一體。由於MEMS地震傳感器的輸出信號非常弱小，與弱信號檢測電路必須緊密連接以減少損耗，所以MEMS地震傳感器與弱信號檢測電路及反饋電路直接連接併集成為一體。這種連接避免了模擬信號在電纜上的傳送，保留了弱信號的有效成分，並提高了抗幹擾能力。作為優化，所述數位化單元包括前置放大、Δ- Σ調製、數字濾波(等)功能，提供 24位的A/D轉換精度，可以程序設置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益， 並實現4、2、1、0. 5、或0. 25ms的採樣率。作為優化，控制電路為嵌入式CPU，控制數位化單元完成模數轉換，控制通信單元實現與地震儀系統的通信和數據傳送，控制供電電路完成對MEMS地震傳感器、弱信號檢測及反饋電路、數位化單元、控制電路和數據通信單元的供電。作為優化，所述數位化單元採用Cirrus Logic公司的A/D轉換套件CS3301A、 CS5373A 和 CS5378 或 TI 公司的 AD1282 晶片。
作為優化，整體結構包括上蓋、引出電纜、電路板、傳感器芯體、外殼和尾錐；所述數位化單元、控制電路、數據通信單元和供電電路集成於所述電路板上；MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路集成在一個鋁合金芯體上成為所述傳感器芯體；電路板和傳感器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，傳感器芯體引出電極連接到電路板上，電路板由引出電纜引出二對電纜，其中一對負責為電路板供電，另一對作為數據線，尾錐安裝在外殼的下端並作為接地部件。即本發明的MEMS地震數字檢波器的整體結構由上蓋、引出電纜、電路板、 傳感器芯體、外殼和尾錐等組成。數位化單元、控制電路、數據通信單元和供電電路集成於一塊電路板上，MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路集成在一個鋁合金芯體上，大小與常規動圈式芯體一致，這樣與常規動圈式芯體可以互換，區別在於常規動圈式芯體不需要供電，而MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路均需要供電，所以MEMS傳感器芯體與電路板之間除一對信號線外還需要一對供電線路。電路板和MEMS傳感器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，傳感器芯體引出電極連接到電路板上，電路板由引出電纜引出二對電纜，其中一對與外接電源相連負責為電路板供電，另一對作為數據線，尾錐安裝在外殼的下端並作為接地部件。作為優化，所述傳感器芯體的地震傳感器由一組MEMS地震傳感器組成單分量數字檢波器，或三組MEMS地震傳感器正交集成在一個鋁合金芯體上組成三分量數字檢波器。 組成三分量數字檢波器是本發明裝置MEMS地震數字檢波器由於沒有方向性和很小的軸向幹擾，非常容易組合成相互正交的三分量數字檢波器。這時把三組地震傳感器MEMS正交集成在一個鋁合金芯體上即可。採用上述技術方案後，本發明MEMS數字地震檢波器具有重量輕、體積小、靈敏度高、響應速度快、頻帶寬、動態範圍大、畸變小、小信號識別能力和抗幹擾能力強，可靠性好的優點。特別適用於單檢波器高密度採集，滿足了高精度地震勘探的需要。廣泛適用於石油、天然氣、煤田及礦產勘探、地質工程勘察、地質災害監測等方面。
圖1是本發明MEMS數字地震檢波器的電路原理框圖；圖2是MEMS數字地震檢波器的整體結構示意圖。
具體實施例方式如圖所示，本發明MEMS數字地震檢波器由採集地震信號的MEMS地震傳感器MEMS， 用於低噪音電容信號放大和模擬力反饋的弱信號檢測及反饋電路ASIC，將來自弱信號檢測及反饋電路的模擬地震信號轉化成數位訊號的數位化單元AtoD，用於控制數位化單元、通信單元和供電電路的控制電路CPU，用於接收主機系統控制命令和完成採集數據上傳的數據通信單元C和用於向前述五單元供電的供電電路P六大單元組成。所述MEMS地震傳感器MEMS、弱信號檢測及反饋電路ASIC、數位化單元AtoD、控制電路CPU、數據通信單元C依次相連，供電電路P共連前述五個單元。MEMS地震傳感器優選採用中國科學院上海微系統與信息技術研究所研製的MEMS 地震傳感器，弱信號檢測及反饋電路ASIC按照設計進行定製，兩個器件配合後可以達到 IlOdB的動態範圍，達到了國際先進水平。所述弱信號檢測及反饋電路ASIC採用低噪音電容信號放大技術和大動態範圍放大技術，特別採用了模擬力反饋電路提高信噪比，有利於檢測弱信號成分，提高了傳感器的動態範圍，使得動態範圍達到IlOdB,小信號識別能力大大提高，真正成為傳統檢波器的替代產品，特別適用於單檢波器接收技術，滿足了高精度地震勘探的需要。如果批量生產後，成本能夠得到控制，將真正成為傳統檢波器的替代產品。MEMS地震傳感器MEMS採用三層矽片三明治結構，採用(專門的)鍵合工藝，與國際上採用的四層矽片三明治結構相比，具有製作工藝簡單，成品率高等特點。採用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質量塊結構單片製作、一次成型技術，既簡化了製作工藝，又可大大降低熱噪聲和交叉軸靈敏度。採用上述設計和工藝製作的MEMS傳感器的可靠性大大提高， 將會明顯降低野外施工中的損耗率。所述的MEMS地震傳感器MEMS和弱信號檢測及反饋電路ASIC直接連接併集成為一體。這種連接避免了模擬信號在電纜上的傳送，保留了弱信號的有效成分，並提高了抗幹擾能力。所述數位化單元AtoD包括前置放大、Δ - Σ調製、數字濾波等功能，提供M位的 A/D轉換精度，可以程序設置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，並實現 4、2、1、0· 5、或 0. 25ms 的採樣率。所述控制電路為嵌入式CPU。控制電路採用一塊C51或ARM系列嵌入式CPU，在完成控制數位化單元、通信單元和供電電路條件下採用最省電的晶片。所述數位化單元採用 Cirrus Logic 公司的 A/D 轉換套件 CS3301A、CS5373A 和 CS5378 或 TI 公司的 AD1282 晶片。數據通信單元提供了與地震儀器主機系統的數據通信功能，接收主機的控制命令和完成採集數據的上傳。這需要與主機系統的數據通信協議相一致。本發明MEMS數字地震檢波器整體結構包括上蓋R1、引出電纜R2、電路板R3、傳感器芯體R4、外殼R5和尾錐R6 ；所述數位化單元AtoD、控制電路CPU、數據通信單元C和供電電路P集成於所述電路板R3上；地震傳感器MEMS和弱信號檢測及反饋電路ASIC集成在一個鋁合金芯體上成為所述傳感器芯體R4，大小與常規動圈式芯體一致，這樣與常規動圈式芯體可以互換，區別在於常規動圈式芯體不需要供電，而MEMS地震傳感器和ASIC電路均需要供電；電路板和傳感器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，傳感器芯體弓I出電極連接到電路板上，電路板由引出電纜引出二對電纜，其中一對負責為電路板供電，另一對作為數據線， 尾錐安裝在外殼的下端並作為接地部件。所以MEMS傳感器芯體與電路板之間除一對信號線外還需要一對供電線路，我們採用48V供電，要求當電壓降到27V時數字檢波器還能正常工作。本發明MEMS地震數字檢波器由於沒有方向性和很小的軸向幹擾(軸向幹擾小於 )，非常容易組合成相互正交的三分量數字檢波器。這時把三組MEMS地震傳感器正交集
成在一個鋁合金芯體上即可。即所述傳感器芯體的地震傳感器由三組MEMS地震傳感器正交集成在一個鋁合金芯體上組成三分量數字檢波器。
權利要求
1.一種MEMS數字地震檢波器，其特徵在於由採集地震信號的MEMS地震傳感器，用於低噪音電容信號放大和模擬力反饋的弱信號檢測及反饋電路，將來自弱信號檢測及反饋電路的模擬地震信號轉化成數位訊號的數位化單元，用於控制數位化單元、通信單元和供電電路的控制電路，用於接收主機系統控制命令和完成採集數據上傳的數據通信單元和用於向前述五單元供電的供電電路六大單元組成。
2.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述MEMS地震傳感器、弱信號檢測及反饋電路、數位化單元、控制電路、數據通信單元依次相連，供電電路共連前述五個單元。
3.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述MEMS地震傳感器採用三層矽片三明治結構，採用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質量塊結構單片製作。
4.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於弱信號檢測及反饋電路進行低噪音電容信號放大和大動態範圍放大，採用模擬力反饋電路提高信噪比。
5.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路直接連接併集成為一體。
6.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述數位化單元包括前置放大、Δ - Σ調製、數字濾波功能，提供M位的A/D轉換精度，可以程序設置0dB、6dB、12dB、 18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，並實現4、2、1、0· 5、或0. 25ms的採樣率。
7.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述控制電路為嵌入式CPU。
8.根據權利要求1所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述數位化單元採用Cirrus Logic公司的A/D轉換套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282晶片。
9.根據權利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於整體結構包括上蓋、引出電纜、電路板、傳感器芯體、外殼和尾錐；所述數位化單元、控制電路、數據通信單元和供電電路集成於所述電路板上；MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路集成在一個鋁合金芯體上成為所述傳感器芯體；電路板和傳感器芯體由上蓋封裝在塑料外殼內，傳感器芯體引出電極連接到電路板上，電路板由引出電纜引出二對電纜，其中一對負責為電路板供電，另一對作為數據線，尾錐安裝在外殼的下端並作為接地部件。
10.根據權利要求9所述MEMS數字地震檢波器，其特徵在於所述傳感器芯體的地震傳感器由一組MEMS地震傳感器組成單分量數字檢波器，或三組MEMS地震傳感器正交集成在一個鋁合金芯體上組成三分量數字檢波器。
全文摘要
本發明涉及一種MEMS數字地震檢波器，為解決現有地震檢波器靈敏度和抗幹擾能力差問題，其由採集地震信號的MEMS地震傳感器，用於低噪音電容信號放大和模擬力反饋的弱信號檢測及反饋電路，將來自弱信號檢測及反饋電路的模擬地震信號轉化成數位訊號的數位化單元，用於控制數位化單元、通信單元和供電電路的控制電路，用於接收主機系統控制命令和完成採集數據上傳的數據通信單元和用於向前述五單元供電的供電電路六大單元組成。所述MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路直接連接併集成為一體。所述控制電路為嵌入式CPU。所述MEMS地震傳感器採用三層矽片三明治結構，採用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質量塊結構單片製作。其具有重量輕、體積小、靈敏度高、響應速度快、頻帶寬、動態範圍大、畸變小、小信號識別能力和抗幹擾能力強，可靠性好的優點。
文檔編號G01V1/18GK102486541SQ20101056897
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者劉光鼎, 宋祁真, 李守才, 車錄鋒, 郭建 申請人:中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院, 中國科學院上海微系統與信息技術研究所, 中國科學院地質與地球物理研究所, 北京吉奧菲斯科技有限責任公司