CN102265184A - 用于地震采集系统的基于mems的电容传感器 - Google Patents

Abstract

一种装置包括包含加速度计的地震采集系统。所述加速度计包括基于MEMS的电容传感器、控制器和电荷放大器。所述传感器包括检测质量、接收第一信号的输入端、以及与检测质量电连接以提供第二信号的输出端。由控制器调控的第一信号控制用于传感器的平衡恢复力并且使传感器提供第二信号。所述电荷放大器提供指示检测质量的位置的第三信号。电荷放大器具有在第一信号控制平衡恢复力并且使传感器提供第二信号期间内连续接收第二信号的输入端。

Description

用于地震采集系统的基于MEMS的电容传感器

技术领域

本发明总体上涉及用于地震采集系统的基于MEMS的电容传感器。

背景技术

地震勘探涉及为寻找碳氢化合物储藏而勘测地下的地质构造。勘测典型地涉及在预定的位置布置地震源和地震传感器。所述源产生地震波，该地震波传播到地质构造中，沿其路线产生压力变化和振动。地质构造的弹性属性的变化使地震波散开，改变了它们的传播方向和其他属性。由所述源发射出的部分能量到达地震传感器。一些地震传感器对压力变化敏感(水听器)，其他地震传感器对粒子运动敏感(例如，地震检波器)，并且工业勘测可以只布置一种类型的传感器或者两种类型的传感器都布置。响应于检测到的地震事件，传感器产生电信号，以产生地震数据。然后，对地震数据的分析可以指示存在或者不存在可能的碳氢化合物储藏位置。

发明内容

在本发明的一种实施方式中，一种装置包括包含加速度计的地震采集系统。加速度计包括基于MEMS的电容传感器、控制器和电荷放大器。传感器包括检测质量(proof mass)、接收第一信号的输入端以及与检测质量电连接以提供第二信号的输出端。由控制器调控的第一信号控制用于传感器的平衡恢复力并且使传感器提供第二信号。电荷放大器提供指示检测质量的位置的第三信号。电荷放大器具有在第一信号控制平衡恢复力并且使传感器提供第二信号的期间内连续接收第二信号的输入端。

在本发明的另一种实施方式中，一种技术包括提供具有加速度计的地震采集系统。加速度计包括包含检测质量的基于MEMS的电容传感器、接收第一信号的输入端、以及与检测质量电连接以提供第二信号的输出端。该技术包括调控用于传感器的平衡恢复力，以及激励传感器以使传感器提供第二信号。该技术包括在调控和激励的动作发生的连续的时间间隔内感测第二信号。

在本发明的又一种实施方式中，加速度计包括基于MEMS的电容传感器、控制器和电荷放大器。传感器包括检测质量、接收第一信号的输入端、以及与检测质量电连接以提供第二信号的输出端。由控制器调控的第一信号控制用于传感器的平衡恢复力并且使传感器提供第二信号。电荷放大器提供指示检测质量的位置的第三信号。电荷放大器具有在第一信号控制平衡恢复力并且使传感器提供第二信号的期间内连续接收第二信号的输入端。

根据以下附图、描述及权利要求，本发明的优点及其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的海洋地震采集系统的示意图。

图2和6是根据本发明的实施方式的加速度计的示意图。

图3、4和5是根据本发明的一种实施方式的加速度计的信号的波形。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一些实施方式的基于海洋的地震数据采集系统的实施方式10。在系统10中，勘测船20在船20的后面拖曳一条或多条地震拖缆30(图1中示出了一条示例拖缆30)。应当指出，拖缆30可以展开布置，其中多条拖缆30在相同的深度在大致相同的平面中拖曳。作为另一个非限制性示例，拖缆可以在多个深度(例如以上/下分布的形式)拖曳。

地震拖缆30可以有几千米长而且可以包含各种支持线缆(没有示出)及可以用于支持沿拖缆30进行通信的配线和/或电路(没有示出)。总的来说，每条拖缆30包括主线缆，将记录地震信号的地震传感器安装到该主线缆中。根据本发明的实施方式，拖缆30包含地震传感器单元58，每个地震传感器单元58包含多分量传感器。根据本发明的一些实施方式，多分量传感器包括水听器和粒子运动传感器。因而，每个传感器单元58都能够检测压力波场以及与接近传感器的声学信号关联的粒子运动的至少一个分量。粒子运动的示例包括粒子移位的一个或多个分量、粒子速度的一个或多个分量(纵测线(x)、横测线(y)和垂直(z)分量(例如，见轴59))和粒子加速度的一个或多个分量。

根据本发明的特定实施方式，多分量传感器可以包括一个或多个水听器、地震检波器、粒子移位传感器、粒子速度传感器、加速计、压力梯度传感器或者其组合。

作为更具体的示例，根据本发明的一些实施方式，特定的多分量传感器可以包括用于测量压力的水听器和用于测量传感器附近的粒子速度和/或加速度的三个对应的正交分量的三个正交对准的加速计。应当指出，取决于本发明的特定实施方式，多分量传感器可以实现为单个设备(如图1所示)或者可以实现为多个设备。特定的多分量传感器还可以包括压力梯度传感器，所述压力梯度传感器构成了另一种类型的粒子运动传感器。每个压力梯度传感器测量在特定点处、关于特定方向的压力波场的变化。例如，一个压力梯度传感器可以采集指示在特定点的关于横测线方向的压力波场的偏导数的地震数据，而另一个压力梯度传感器可以采集在特定点的指示关于纵测线方向的压力数据的地震数据。

根据在此所描述的本发明的实施方式，多分量传感器包括至少一个基于微机电系统(MEMS)的电容加速度计100，该加速度计100由于其尺寸、低功率消耗及低成本因此是有利的。为了简化后面的讨论，在下面描述了其中加速度计100沿着单个量测轴(sensitive axis)感测加速度的实施方式。但是，这些实施方式仅为了示例起见，根据本发明的其他实施方式，加速度计100可以沿着两个或三个正交的量测轴感测加速度。

海洋地震数据采集系统10包括地震源40(图1中示出了两个示例地震源40)，例如气枪等。在本发明的一些实施方式中，地震源40可以与勘测船20耦接或者由勘测船20拖曳。作为选择，在本发明的其他实施方式中，地震源40可以独立于勘测船20来操作，其中作为示例，地震源40可以耦接至其他船只或浮标。

当地震拖缆30被拖曳在勘测船20后面时，通常被称为“射击(shot)”的声学信号42(图1中示出了示例声学信号42)由地震源40产生，并向下通过水柱44引导到水底面24之下的地层62和68中。声学信号42从各种地下的地质构造(例如图1中所示的示例地质构造65)反射。

由源40产生的入射声学信号42产生对应的反射声学信号，或者压力波60，该信号被拖缆30的地震传感器感测。应当指出，被地震传感器接收和感测的压力波包括无反射地传播到传感器的“上行”压力波，以及由压力波60从空气-水边界或自由表面31反射产生的“下行”压力波。

拖缆30的地震传感器产生称为“轨迹(trace)”的信号(例如，数字信号)，该信号指示所采集的压力波场和粒子运动的测量结果。根据本发明的一些实施方式，轨迹被记录并可以至少部分地被布置在勘测船20上的信号处理单元23处理。例如，特定的多分量传感器可以提供轨迹，该轨迹对应于由其水听器对压力波场进行的测量结果；而且(取决于本发明的特定实施方式)传感器可以提供对应于粒子运动的一个或多个分量的一个或多个轨迹。

地震采集的目的是建立勘测区域的图像，以便识别地下的地质构造，例如示例地质构造65。对图像的后续分析可以揭示地下地质构造中碳氢化合物储藏的可能位置。取决于本发明的特定实施方式，对图像的部分分析可以在地震勘测船20上执行，例如通过信号处理单元23执行。根据本发明的其他实施方式，所述图像可以由地震数据处理系统来处理，其中地震数据处理系统可以例如位于陆地上或者船20上。因此，许多变化都是可能的，而且都在所附权利要求的范围之内。

参考图2，根据本发明的一些实施方式，加速度计100包括基于MEMS的电容传感器110。传感器110包括电枢(armature)以及与电枢刚性附接的一对固定位置的电极110a和110b(在此称为“固定电极”)。传感器110还包括至少一个移动电极110c，该移动电极110c被安装在通过同样与电枢连接的弹簧悬挂于两个固定电极110a和110b之间的移动的检测质量上。该结构形成了差分电容器，在该差分电容器中移动电极110c响应于外部加速度沿着量测轴移动。

差分电容器由两个电容器形成：在电极110a和110c之间形成第一个电容器；以及在电极110c和110b之间形成另一个电容器(与另一个电容器串联)。根据特定的移动方向，移动电极110c的移动增大了这两个电容器中的一个电容器的电容并且相反地减小了另一个电容器的电容。可以感测差分电容，以便确定所感侧的加速度的方向和大小(degree)。

为了使传感器110的差分电容能够被感测，传感器110通过跨固定电极110a和110b施加电压来激活。如在下面进一步描述的，该电压还产生倾向于使检测质量恢复到其平衡位置的制动力。

更具体地，当受到由外部加速度引起的惯性力时，检测质量通过反馈系统所控制的静电力保持于平衡位置。加速度计的振幅检测器160和回路控制器164具有很高的增益，并且因此移动质量关于其平衡位置的残余移动被保持为接近于0。净恢复力的大小和方向作为在工作于相反的方向上的两个引力之间的差异给出。例如，如果外部加速力倾向于将移动电极移动至更接近固定电极110b，则回路控制器164将增大在移动电极和固定电极110a之间的静电力，并且，同时，减小在移动电极和固定电极110b之间的静电力。互补制动电压以高重复频率在0电压和满程供电电压之间切换，并且有效的制动力由脉冲序列的占空比所控制。

在传统的基于MEMS的电容传感器中，当传感器的差分电容被感测时，激活及制动电压在不同的时钟相位中被施加于固定位置的电极以及开关控制部。在这点上，在传统的基于MEMS的传感器中，当激活电压被施加时，电荷放大器在感测时钟相位期间可以经由一个或多个开关与基于MEMS的传感器连接；并且然后在制动电压被施加于电极时断开开关以使电荷放大器与传感器隔离。但是，这种设置的困难在于由开关引入的采样噪声(即，“kT/C”噪声)通常劣化了传感器的动态范围。

根据在此所描述的本发明的实施方式，加速度计100包括电荷放大器150，该电荷放大器150具有与传感器110的移动电极110c持续连接并且因此不经由开关控制的路径与移动电极连接的输入端。换句话说，电荷放大器150的输入端在传感器110接收制动电压和激活电压期间内与移动电极110c持续连接。因而，采样噪声被消除(与传统的设置相比)，这提高了加速度计的动态范围。

作为更具体的示例，根据本发明的实施方式，传感器110的激活和制动都通过在图5中示出的驱动信号220来调控。参考图2(针对加速度计100的结构)，加速度计100的互补逻辑驱动器120接收来自加速度计100的脉冲发生器108的脉冲串(pulse train)信号210。响应于脉冲串信号210，驱动器120产生驱动信号220，该驱动信号220跨传感器110的固定电极110a和110b施加。对于这个具体的示例，逻辑部120与正电源干线(rail)电压(称为“V_SUPP”)和地线(对于该非限制性示例，该地线是负电源干线)耦接。由脉冲发生器108产生的脉冲串信号210与由系统时钟发生器104产生的时钟信号200(参见图3)同步。响应于脉冲串信号210，驱动器120的互补驱动器112和124产生驱动信号200。

驱动信号220的施加对传感器110有两种作用：驱动信号220产生静电力矩(electrostatic moment)，该静电力矩使移动电极110c产生被电荷放大器150感测并且指示检测质量的位置的信号；并且驱动信号220的平均值或DC值建立了在传感器110上的平衡恢复制动力。

振幅检测器160检测电荷放大器150的输出信号，以便感测检测质量的残余移动。如在下面所进一步描述的，电荷放大器150的输出信号也被驱动信号220所调制或影响。振幅检测器160感测由电荷放大器150产生的信号的振幅，并且将该采样峰值提供给回路控制器164。

根据在此所描述的本发明的实施方式，回路控制器164对由振幅检测器160提供的峰值信号进行模数(A/D)转换，并且应用回路传递函数以便产生数字输出信号170，该数字输出信号170指示沿着传感器110的量测轴的所感测的加速度的大小和方向。作为更具体的示例，根据本发明的一些实施方式，回路控制器164可以是提供作为数字输出信号170的单一位输出流的∑-Δ调制器(sigma delta modulator)。因而，数字输出信号170可以是指示所感侧的加速度的大小和方向的“1”和“0”的时间序列。作为非限制性示例，一串0可以指示在特定的方向上的最大加速度，而一串1可以指示在另一个方向上的最大加速度。应当指出，根据本发明的其他实施方式，数字输出信号170可以是多位数字信号。在本发明的其他一些实施方式中，加速度计100可以供应模拟输出信号。

脉冲发生器108响应于数字输出信号170产生脉冲串信号210(参见图4)。作为更具体的非限制性示例，根据本发明的一些实施方式，脉冲发生器108根据数字输出信号170选择性地产生两个脉冲宽度以控制驱动信号220(参见图5)的脉冲密度。例如，脉冲发生器108可以响应于数字位“0”而产生相对窄的脉冲212(参见图4)，并且响应于数字位“1”而产生相对较宽的脉冲214。脉冲串信号210的脉冲密度控制驱动信号220的平均值或DC值，该驱动信号220又控制施加于传感器110的平衡恢复制动力的大小和方向。

因为传感器110的制动和激活在同一时钟相位期间发生，所以单个基于MEMS的传感器110在同一时钟相位之内起着制动器和传感器二者的作用。根据本发明的一些实施方式，振幅检测器160对电荷放大器的输出信号双重采样，以便分离这些分量。

作为更具体的示例，根据本发明的一些实施方式，响应于时钟信号的正的或上行的边沿(例如，图3中的边沿202)，振幅检测器160对电荷放大器的输出信号进行采样，以得出含有由热噪声所引起的噪声、脉冲参数等的基线信号；以及在随后的时钟相位的期间内，振幅检测器160在电荷放大器的输出信号的峰值附近重采样电荷放大器的输出信号。因此，通过从后一采样值中减去最初的采样值，得出了指示所感侧的电荷并且在基线信号内通常不存在噪声的结果信号。

此外，根据本发明的一些实施方式，加速度计100可以包括位于系统时钟发生器104与脉冲发生器104的时钟输入端之间的抖动滤波器(jitter filter)106。一般而言，时钟抖动(clock jitter)调制了由反馈脉冲所施加的有效力并且因此会是在制动器功能中的噪声的主要原因。根据本发明的一些实施方式，抖动滤波器106是从系统参考时钟中过滤出抖动的锁相回路(PLL)；并且因而，计时系统不使用晶体谐振器，由此促进了更简单且更经济的系统集成。

根据本发明的一些实施方式，电荷放大器150包括主要的、相对高增益的放大器152，该放大器152具有与系统地线耦接的其同相输入端(对于其中负电压电源是地线的本发明的实施方式)。电荷放大器152的反相输入端与传感器110的移动电极110c耦接。因为跨放大器152的输入端的电压基本上为0，所以与移动电极110c耦接的输入端本质上耦接至供电干线电压(在这种情况下为地)。对于给定的供电电压，这种设置又使可用的平衡制动力最大化。

根据本发明的实施方式，由电容器154和电阻器156的并联组合形成的反馈网络被耦接于放大器152的反相输入端和输出端之间。应当指出，在图2中示出的拓扑本质上建立了用于传感器110的恒定的电压驱动，在该拓扑中用来产生脉冲的供电电压保持恒定。但是，由于该拓扑，检测质量的残余移动调制了在电极110a和110b处的电容器间隙，并且因此，制动力取决于检测质量的移动。

因此，参考图6，根据本发明的其他实施方式，加速度计250可以代替加速度计100来使用。一般而言，在图6中使用了相似的参考数字来指示加速度计100和250共同使用的部件。与加速度计100不同，加速度计250为传感器110使用了恒定的电荷驱动。更具体地，加速度计250的电荷放大器根据检测质量移动来调制或调整制动电压，由此增大了有效的信噪比。

更具体地，根据本发明的实施方式，加速度计200的电荷放大器不包括反馈电容器154(如图2所示)。相反，MEMS电容器被结合到电荷放大器的反馈网络之内。放大器152的输出端与加法器254连接，该加法器254将放大器152的输出信号与供电电压V_SUPP结合。由于这种设置，施加于逻辑部120的供电电压根据提供于放大器152的输出端的所感侧的信号调制；并且结果，制动力独立于检测质量的移动。

许多变化都可预料到并且在所附权利要求的范围之内。例如，根据本发明的一些实施方式，抖动滤波器106、脉冲发生器108、逻辑部120、电荷放大器、振幅检测器160、传感器110和回路控制器164可以被集成于单个单片管芯内；可以被集成于单个半导体封装中的分离的管芯内；可以是分离的半导体封装的一部分等。

作为其他示例，在本发明的其他实施方式中，加速度计100、250可以是不同于拖缆的地震传感器线缆的一部分。作为非限制性的示例，加速度计100可以是基于陆地的地震传感器线缆或者基于海床的地震传感器线缆。作为其他变化，加速度计100、250可以是传感器模块的一部分，该传感器模块不是传感器线缆的一部分。在这点上，在本发明的一些实施方式中，加速度计100、250可以是由通过有线连接(例如线缆)连接的传感器模块形成的地震采集系统的一部分。在本发明的其他实施方式中，传感器模块可以通过无线连接来互连。因而，许多变化都可预料到并且在所附权利要求的范围之内。

尽管已经关于有限数量的实施方式描述了本发明，但是受益于本公开内容的本领域技术人员将认识到根据其进行的多种修改和变化。希望所附权利要求覆盖落入本发明真正主旨和范围之内的所有这类修改和变化。

Claims (28)

1.一种装置，包括：

地震采集系统，其包括加速度计，

其中所述加速度计包括：

基于MEMS的电容传感器，包括检测质量、接收第一信号的输入端以及与所述检测质量电连接以提供第二信号的输出端，其中所述第一信号控制用于所述传感器的平衡恢复力并且使所述传感器提供所述第二信号；以及

提供指示所述检测质量的位置的第三信号的电荷放大器，所述电荷放大器具有在所述第一信号控制所述平衡恢复力并且使所述传感器提供所述第二信号期间内连续接收所述第二信号的输入端。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述加速度计还包括：

接收所述第三信号并且产生指示所述第三信号的振幅的第四信号的振幅检测器。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述振幅检测器适合于对所述第三信号进行双重采样，以将指示所述检测质量的位置的所述第三信号的第一分量与指示所述第一信号的所述第三信号的第二分量分开。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所述控制器对所述第三信号执行模数转换。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器包括∑-Δ调制器。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电荷放大器具有与所述加速度计的供电电压干线连接的输入偏压。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述电荷放大器包括作为所述传感器的一部分的反馈电容器。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括：

根据所述第三信号调整所述第一信号的大小以使所述平衡恢复力基本上独立于所述检测质量的移动的电路。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器提供指示由所述加速度计所感测的加速度的信号。

10.根据权利要求1所述的装置，还包括：

响应于脉冲串信号提供所述第一信号的互补驱动器；以及

根据由所述控制器所提供的信号来提供所述脉冲串信号的脉冲发生器。

11.根据权利要求10所述的装置，还包括：

同步所述脉冲串信号的周期的时钟发生器，

其中所述第一信号控制用于所述传感器的平衡恢复力并且还使所述传感器在所述时钟信号的每个周期内提供所述第二信号。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括：

电耦接于所述时钟发生器和所述脉冲发生器之间的抖动滤波器。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述地震采集系统包括通过无线或有线连接进行连接的传感器模块。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述地震采集系统包括拖缆、基于陆地的传感器线缆或基于海床的传感器线缆。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述地震采集系统包括拖缆，所述系统还包括：

拖曳所述拖缆的勘测船。

16.一种方法，包括：

提供具有加速度计的地震采集系统，所述加速度计包括包含检测质量的基于MEMS的电容传感器、接收第一信号的输入端以及与所述检测质量电连接以提供第二信号的输出端；

调控用于所述传感器的平衡恢复力；

激励所述传感器以使所述传感器提供所述第二信号；以及

在调控和激励动作发生的连续的时间间隔内感测所述第二信号。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述感测持续地发生，在所述时间间隔的持续时间内连接电荷放大器的输入端。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

双重采样以将指示所述检测质量位置的由所述电荷放大器提供的信号信息的第一分量与指示用来激励所述传感器的信号的信号信息的第二分量分开。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括：

将所述传感器的电容器用于所述电荷放大器的反馈路径中。

20.根据权利要求17所述的方法，还包括：

根据由所述电荷放大器提供的输出信号调整为激励所述传感器而施加的信号，以使所述平衡恢复力基本上独立于所述检测质量的移动。

21.根据权利要求16所述的方法，其中所述地震采集系统包括通过无线或有线连接进行连接的传感器模块。

22.根据权利要求16所述的方法，其中所述地震采集系统包括拖缆、基于陆地的传感器线缆或基于海床的传感器线缆。

23.根据权利要求22所述的方法，还包括：

以勘测船拖曳所述拖缆。

24.一种加速度计，包括：

基于MEMS的电容传感器，包括检测质量、接收第一信号的输入端以及与所述检测质量电连接以提供第二信号的输出端，其中所述第一信号控制用于所述传感器的平衡恢复力并且使所述传感器提供所述第二信号；以及

提供指示所述检测质量的位置的第三信号的电荷放大器，所述电荷放大器具有在所述第一信号控制所述平衡恢复力并且使所述传感器提供所述第二信号的期间内连续接收所述第二信号的输入端。

25.根据权利要求24所述的加速度计，其中所述加速度计还包括：

接收所述第三信号并且产生指示所述第三信号的振幅的第四信号的振幅检测器。

26.根据权利要求25所述的加速度计，其中所述振幅检测器适合于对所述第三信号进行双重采样，以将指示所述检测质量的位置的所述第三信号的第一分量与指示所述第一信号的所述第三信号的第二分量分开。

27.根据权利要求25所述的加速度计，其中所述控制器对所述第三信号执行模数转换。

28.根据权利要求24所述的加速度计，其中所述控制器包括∑-Δ调制器。

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