CN100458466C - Mems加速度地震传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS加速度地震传感器，包括上电极、下电极和可移动的中间电极，上、下电极是以微机械加工技术形成的槽型电极，中间电极包括边框、质量块、悬臂梁。本发明质量块为正六边形结构，通过其上均布设置的三条悬臂梁支撑在边框及上电极、下电极形成的槽中。保证了中间电极平动，本发明横向隔离性能效果好，线形好，抗冲击性强，温度漂移小，本发明结构简单，体积小，安装方便，工作可靠性高。特别适合于制作三分量传感器。

Description

MEMS加速度地震传感器

技术领域

本发明涉及一种地震传感装置，具体地说是一种加速度地震传感器。

背景技术

我们知道，石油、煤炭行业进行地质勘探时，地震传感器是必备的工具。现有地震传感器主要采用磁电式速度传感器，其结构主要由外壳、上盖、下盖、线圈、弹片、磁体、轭铁、电极等组成，轭铁位于磁体上、下两端，磁体与轭铁的定位是通过轭铁上的凹孔实现，它们组成磁回路装置，线圈绕在磁体、轭铁外部，由弹片支撑，当外界发生震动，线圈在磁回路中做上下往复振动，切割磁力线，输出震动信号。磁电式地震传感器性能的好坏主要取决于磁体的性能，体积一般都比较大，造成磁回路装置体积较大、成本高，使装好的传感器成品体积也大、成本高，造成施工困难。同时，上述装置磁路分流和温度补偿作用也差，工作可靠性不高。另外还有电容式加速度传感器，其是变间距差动电容传感器，其芯片由两片固定的外侧电极和可移动的中间电极构成，上电极、下电极是以微机械加工技术形成的槽型电极，中间电极包括边框、质量块、悬臂梁等，由中央可动电极和上下固定电极构成一个三明治结构。中间电极的质量块由悬臂梁支撑，受震后，中间电极发生位移引起上下电容量变化。中间电极常规设计均为正方形或长方形结构，因此与其连接的悬臂梁为双臂和四臂。采用双臂梁结构，实现中间电极平动难度大，而抗冲击、横向隔离性能差；四臂梁结构可实现平行移动，横向隔离性能抗冲击均优于双臂梁结构，其缺点是体积大，相应灵敏度低。另外，在电容电极间有粘滞性气体，如空气，这些气体在中间电极的质量块振动时会产生阻力，阻尼大，会减小传感器品质因数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种构造紧凑，体积小，灵敏度高，抗冲击，线性好，可靠性高，工艺性好的MEMS加速度地震传感器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种MEMS加速度地震传感器，包括上电极、下电极和可移动的中间电极及C-V变换电路、放大电路、A/D转换电路，上电极、下电极是以微机械加工技术形成的槽型电极，中间电极包括边框、质量块、悬臂梁，其特征在于：质量块为正六边形结构，通过其上均布设置的三条悬臂梁支撑在边框及上电极、下电极形成的槽中，边框外边为正四方形，内边为正六边形结构，质量块中央设有中间排气孔，边框上设有多个排气通道，受震后，质量块与上下固定电极间产生一个变间距的差动，输出变动的电容量，经C-V变换电路、放大电路、A/D转换等，输出信号。

本发明中间电极由于采用上述的三臂梁和正六边形的质量块，保证中间电极的平动，线形好，抗冲击性强，纵横隔离性能强，温度漂移小，体积小，可靠性高。对照现有技术，本发明结构简单，体积小，安装方便，工作可靠性高。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图中1.上电极，2.质量块，3.悬臂梁，4.中间排气孔，5.排气通道，6.下电极，7.边框。

具体实施方式

从图1中可以看出，一种MEMS加速度地震传感器，包括上电极1、下电极6和可移动的中间电极，构成一个变间距差动电容传感器。上电极1、下电极6，可用硅或高硅玻璃以微机械加工制做的槽性电极或平面电极。上电极1、下电极6，同时起过载保护作用。中间电极在上电极1、下电极6之间，其是用[100]或[110]晶向的单晶硅为基体，用微机械加工技术形成一个包括边框7、质量块2、三个悬臂梁3的一体结构。质量块2由悬臂梁3、边框7支撑，位于上电极1、下电极6和边框7形成的槽中。

本发明质量块2为正六边形结构，通过其上均布设置的三条悬臂梁3和边框7相连。支撑在边框7及上电极1、下电极6形成的槽中。边框7外边为正四方形，内边为正六边形结构。受震动时，均匀设置的三个悬臂梁3在正六边形质量块2带动下产生应力，发生位移。由于悬臂梁3等分固定在六边形质量块上，因此保证质量块在上、下电极间平动，线性好，过载能力强。

本发明为减小阻尼，中间电极的质量块2中央设有中间排气孔4，排气孔4可以是方孔，也可以是圆孔。中间电极的边框7上加工多个排气通道5。本发明排气通道5可以设在边框7与上电极1、下电极6接触的上、下侧面上。这样，当质量块2做上下位移时，腔室中的空气可通过中间排气孔4和排气通道5排出，加强空气的流动，以减小阻尼，并起到降低噪音的作用。

本发明是以微机械加工和集成电路工艺为手段形成的一个三明治式变间距差动电容传感器。当传感器固定在被测物体上，被测物体产生震动时，质量块发生位移，则与上下电极产生位移差分别为Δd₁与-Δd₂。由于质量块本身又是传感器的中间电极，故相对固定的上下电极产生电容差的变化，其中一个电极C₁增加一个ΔC₁，而另一个电极C₂减少一个ΔC₂，当位移量d₁＝-d₂，电容C₁＝C₂＝C₀，则电容C₁、C₂变化量的方程为：

C₁＝C₀〔1+Δd/d+(Δd/d)²+(Δd/d)³+…〕

C₂＝C₀〔1-Δd/d+(Δd/d)²-(Δd/d)³+…〕

电容的相对变化量：

ΔC/C₀＝C₁-C₂/C₀＝2〔Δd/d+(Δd/d)³+…〕

忽略高次项

ΔC/C₀＝2(Δd/d)

本发明传感器的输出是电容量，为应用方便起见，备有相应的C-V变换电路等。经振荡电路作用于传感器，再经C-V变换电路、放大电路、A/D转换等，最后单片机输出。可获得模拟量输出，也可以实现数字量输出。具体的应用电路属于已有技术，这里不在详述。

本发明由于是三臂梁稳定平移结构，灵敏度比四臂梁高，线性好，温度漂移小，不需温度和线性补偿。

Claims (1)

1.一种MEMS加速度地震传感器，包括上电极、下电极和可移动的中间电极及C-V变换电路、放大电路、A/D转换电路，上电极、下电极是以微机械加工技术形成的槽型电极，中间电极包括边框、质量块、悬臂梁，其特征在于：质量块为正六边形结构，通过其上均布设置的三条悬臂梁支撑在边框及上电极、下电极形成的槽中，边框外边为正四方形，内边为正六边形结构，质量块中央设有中间排气孔，边框上设有多个排气通道，受震后，质量块与上下固定电极间产生一个变间距的差动，输出变动的电容量，经C-V变换电路、放大电路、A/D转换等，输出信号。

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