CN102486541A - Mems数字地震检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS数字地震检波器，为解决现有地震检波器灵敏度和抗干扰能力差问题，其由采集地震信号的MEMS地震传感器，用于低噪音电容信号放大和模拟力反馈的弱信号检测及反馈电路，将来自弱信号检测及反馈电路的模拟地震信号转化成数字信号的数字化单元，用于控制数字化单元、通信单元和供电电路的控制电路，用于接收主机系统控制命令和完成采集数据上传的数据通信单元和用于向前述五单元供电的供电电路六大单元组成。所述MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路直接连接并集成为一体。所述控制电路为嵌入式CPU。所述MEMS地震传感器采用三层硅片三明治结构，采用八梁支撑、上下对称的双面梁质量块结构单片制作。其具有重量轻、体积小、灵敏度高、响应速度快、频带宽、动态范围大、畸变小、小信号识别能力和抗干扰能力强，可靠性好的优点。

Description

MEMS数字地震检波器

技术领域

本发明涉及一种地震检波器，特别是涉及一种MEMS数字地震检波器。

技术背景

地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预测等等方面。地震勘探中用来直接拾取地震振动，并将振动转换为符合仪器记录系统需要的能量形式的仪器，称为地震检波器。地震检波器按使用环境可以分为陆上检波器、沼泽检波器、海上检波器和井下检波器等；按工作原理可以分为电磁感应式(动圈式)检波器、压电检波器、光纤检波器和MEMS检波器等；按输出信号的物理量可以分为速度检波器、加速度检波器等；按输出信号的类型可以分为模拟检波器和数字检波器。地震检波器的指标决定了地震勘探仪器的主要技术指标。

目前国内外使用最多的是动圈式地震检波器，这种检波器已经有50年的发展历史，重量从最初的几千克级发展到目前的几十克级，在地震勘探中得到了广泛使用。但由于其固有的机械特征，这种检波器灵敏度低、动态范围小(60dB左右)、频带窄(10～200Hz)、抗干扰能力差、质量和体积都较大，而目前的地震仪器已经达到了120dB的动态范围，所以不能充分发挥地震仪器的作用。

为了提高检测地震信号的灵敏度和信噪比，一般都要把许多常规检波器(通常是12个至72个左右)检波器串并联在一起组合使用，这不仅给施工增加了劳动强度，降低了生产效率，还降低了勘探分辨率。而且在野外使用中其连接电缆传送的是模拟信号，抗干扰能力差。

常规地震检波器对弹簧材料的要求很高，制造弹簧的工艺复杂、寿命短，同时弹簧的非线性畸变也是信号失真的主要原因。常规地震检波器里的磁铁在撞击和高温状态下容易退磁，这也是它寿命短和性能不稳定的重要原因。

MEMS是微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)的英文缩写，是一种能进行电子感应或反应的超小型化机械器件。MEMS器件能用类似于半导体制造工艺进行相对低成本的大量生产。目前，MEMS器件广泛应用于自动化设备(如气囊感应器和发动机的各种压力传感器)和计算机元器件(如喷墨打印机喷嘴和硬盘读写头)中。MEMS地震传感器就是使用MEMS技术的地震传感器。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种灵敏度高、动态范围大、频带宽、抗干扰能力强、质量体积小的MEMS数字地震检波器。

为实现上述目的，本发明MEMS数字地震检波器由采集地震信号的MEMS地震传感器，用于低噪音电容信号放大和模拟力反馈的弱信号检测及反馈电路，将来自弱信号检测及反馈电路的模拟地震信号转化成数字信号的数字化单元，用于控制数字化单元，通信单元和供电电路的控制电路、用于接收主机系统控制命令和完成采集数据上传的数据通信单元和用于向前述五单元供电的供电电路六大单元组成。本发明装置采用模拟电路力反馈方式，特点是响应速度快，电路结构简单。这是与国际上其他MEMS数字地震检波器最明显的区别。ION公司和Sercel公司的MEMS数字地震检波器均采用ASIC电路进行数字化方案，本发明的ASIC电路先完成低噪音电容信号放大和模拟力反馈，然后加接地震勘探专用24位的A/D转换电路方式，这种方案有较宽的前放增益和较高的转换精度，有利于应用于不同地区。本发明的数据通信单元提供了与地震仪器主机系统的数据通信功能，接收主机的控制命令和完成采集数据的上传。

与常规模拟动圈式检波器相比，本发明MEMS数字检波器具有重量轻、频带宽、动态范围大、畸变小、抗干扰能力强等优点，必将替代目前使用最广的模拟动圈式检波器。特别是由于反馈电路的引入，使得本地震检波器的动态范围达到110dB，小信号识别能力大大提高，真正成为传统检波器的替代产品，另外，本发明MEMS数字检波器特别适用于单检波器高密度采集技术。可适用于石油、天然气、煤田及矿产勘探、地质工程勘察、地质灾害监测等方面。

作为优化，所述MEMS地震传感器、弱信号检测及反馈电路、数字化单元、控制电路、数据通信单元依次相连，供电电路共连前述五个单元。

作为优化，所述MEMS地震传感器采用三层硅片三明治结构，采用八梁支撑、上下对称的双面梁质量块结构单片制作。本发明的MEMS地震传感器采用三层硅片三明治结构，采用专门的键合工艺，与国际上采用的四层硅片三明治结构相比，具有制作工艺简单，成品率高等特点。采用八梁支撑、上下对称的双面梁质量块结构单片制作、一次成型技术，既简化了制作工艺，又可大大降低热噪声和交叉轴灵敏度。采用上述设计和工艺制作的MEMS传感器的可靠性大大提高，将会明显降低野外施工中的损耗率。

作为优化，弱信号检测及反馈电路进行低噪音电容信号放大和大动态范围放大，采用模拟力反馈电路提高信噪比。即本发明的弱信号检测及反馈电路采用低噪音电容信号放大技术和大动态范围放大技术，特别采用了模拟力反馈电路提高信噪比，有利于检测弱信号成分，提高了传感器的动态范围，使得动态范围达到110dB，满足了高精度地震勘探的需要。

作为优化，所述MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路直接连接并集成为一体。由于MEMS地震传感器的输出信号非常弱小，与弱信号检测电路必须紧密连接以减少损耗，所以MEMS地震传感器与弱信号检测电路及反馈电路直接连接并集成为一体。这种连接避免了模拟信号在电缆上的传送，保留了弱信号的有效成分，并提高了抗干扰能力。

作为优化，所述数字化单元包括前置放大、Δ-∑调制、数字滤波(等)功能，提供24位的A/D转换精度，可以程序设置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并实现4、2、1、0.5、或0.25ms的采样率。

作为优化，控制电路为嵌入式CPU，控制数字化单元完成模数转换，控制通信单元实现与地震仪系统的通信和数据传送，控制供电电路完成对MEMS地震传感器、弱信号检测及反馈电路、数字化单元、控制电路和数据通信单元的供电。

作为优化，所述数字化单元采用Cirrus Logic公司的A/D转换套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片。

作为优化，整体结构包括上盖、引出电缆、电路板、传感器芯体、外壳和尾锥；所述数字化单元、控制电路、数据通信单元和供电电路集成于所述电路板上；MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路集成在一个铝合金芯体上成为所述传感器芯体；电路板和传感器芯体由上盖封装在塑料外壳内，传感器芯体引出电极连接到电路板上，电路板由引出电缆引出二对电缆，其中一对负责为电路板供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。即：本发明的MEMS地震数字检波器的整体结构由上盖、引出电缆、电路板、传感器芯体、外壳和尾锥等组成。数字化单元、控制电路、数据通信单元和供电电路集成于一块电路板上，MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路集成在一个铝合金芯体上，大小与常规动圈式芯体一致，这样与常规动圈式芯体可以互换，区别在于常规动圈式芯体不需要供电，而MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路均需要供电，所以MEMS传感器芯体与电路板之间除一对信号线外还需要一对供电线路。电路板和MEMS传感器芯体由上盖封装在塑料外壳内，传感器芯体引出电极连接到电路板上，电路板由引出电缆引出二对电缆，其中一对与外接电源相连负责为电路板供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。

作为优化，所述传感器芯体的地震传感器由一组MEMS地震传感器组成单分量数字检波器，或三组MEMS地震传感器正交集成在一个铝合金芯体上组成三分量数字检波器。组成三分量数字检波器是本发明装置MEMS地震数字检波器由于没有方向性和很小的轴向干扰，非常容易组合成相互正交的三分量数字检波器。这时把三组地震传感器MEMS正交集成在一个铝合金芯体上即可。

采用上述技术方案后，本发明MEMS数字地震检波器具有重量轻、体积小、灵敏度高、响应速度快、频带宽、动态范围大、畸变小、小信号识别能力和抗干扰能力强，可靠性好的优点。特别适用于单检波器高密度采集，满足了高精度地震勘探的需要。广泛适用于石油、天然气、煤田及矿产勘探、地质工程勘察、地质灾害监测等方面。

附图说明

图1是本发明MEMS数字地震检波器的电路原理框图；

图2是MEMS数字地震检波器的整体结构示意图。

具体实施方式

如图所示，本发明MEMS数字地震检波器由采集地震信号的MEMS地震传感器MEMS，用于低噪音电容信号放大和模拟力反馈的弱信号检测及反馈电路ASIC，将来自弱信号检测及反馈电路的模拟地震信号转化成数字信号的数字化单元AtoD，用于控制数字化单元、通信单元和供电电路的控制电路CPU，用于接收主机系统控制命令和完成采集数据上传的数据通信单元C和用于向前述五单元供电的供电电路P六大单元组成。所述MEMS地震传感器MEMS、弱信号检测及反馈电路ASIC、数字化单元AtoD、控制电路CPU、数据通信单元C依次相连，供电电路P共连前述五个单元。

MEMS地震传感器优选采用中国科学院上海微系统与信息技术研究所研制的MEMS地震传感器，弱信号检测及反馈电路ASIC按照设计进行定制，两个器件配合后可以达到110dB的动态范围，达到了国际先进水平。所述弱信号检测及反馈电路ASIC采用低噪音电容信号放大技术和大动态范围放大技术，特别采用了模拟力反馈电路提高信噪比，有利于检测弱信号成分，提高了传感器的动态范围，使得动态范围达到110dB，小信号识别能力大大提高，真正成为传统检波器的替代产品，特别适用于单检波器接收技术，满足了高精度地震勘探的需要。如果批量生产后，成本能够得到控制，将真正成为传统检波器的替代产品。

MEMS地震传感器MEMS采用三层硅片三明治结构，采用(专门的)键合工艺，与国际上采用的四层硅片三明治结构相比，具有制作工艺简单，成品率高等特点。采用八梁支撑、上下对称的双面梁质量块结构单片制作、一次成型技术，既简化了制作工艺，又可大大降低热噪声和交叉轴灵敏度。采用上述设计和工艺制作的MEMS传感器的可靠性大大提高，将会明显降低野外施工中的损耗率。

所述的MEMS地震传感器MEMS和弱信号检测及反馈电路ASIC直接连接并集成为一体。这种连接避免了模拟信号在电缆上的传送，保留了弱信号的有效成分，并提高了抗干扰能力。

所述数字化单元AtoD包括前置放大、Δ-∑调制、数字滤波等功能，提供24位的A/D转换精度，可以程序设置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并实现4、2、1、0.5、或0.25ms的采样率。

所述控制电路为嵌入式CPU。控制电路采用一块C51或ARM系列嵌入式CPU，在完成控制数字化单元、通信单元和供电电路条件下采用最省电的芯片。所述数字化单元采用Cirrus Logic公司的A/D转换套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片。

数据通信单元提供了与地震仪器主机系统的数据通信功能，接收主机的控制命令和完成采集数据的上传。这需要与主机系统的数据通信协议相一致。

本发明MEMS数字地震检波器整体结构包括上盖R1、引出电缆R2、电路板R3、传感器芯体R4、外壳R5和尾锥R6；所述数字化单元AtoD、控制电路CPU、数据通信单元C和供电电路P集成于所述电路板R3上；地震传感器MEMS和弱信号检测及反馈电路ASIC集成在一个铝合金芯体上成为所述传感器芯体R4，大小与常规动圈式芯体一致，这样与常规动圈式芯体可以互换，区别在于常规动圈式芯体不需要供电，而MEMS地震传感器和ASIC电路均需要供电；电路板和传感器芯体由上盖封装在塑料外壳内，传感器芯体引出电极连接到电路板上，电路板由引出电缆引出二对电缆，其中一对负责为电路板供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。所以MEMS传感器芯体与电路板之间除一对信号线外还需要一对供电线路，我们采用48V供电，要求当电压降到27V时数字检波器还能正常工作。

本发明MEMS地震数字检波器由于没有方向性和很小的轴向干扰(轴向干扰小于1％)，非常容易组合成相互正交的三分量数字检波器。这时把三组MEMS地震传感器正交集成在一个铝合金芯体上即可。即所述传感器芯体的地震传感器由三组MEMS地震传感器正交集成在一个铝合金芯体上组成三分量数字检波器。

Claims (10)

1.一种MEMS数字地震检波器，其特征在于由采集地震信号的MEMS地震传感器，用于低噪音电容信号放大和模拟力反馈的弱信号检测及反馈电路，将来自弱信号检测及反馈电路的模拟地震信号转化成数字信号的数字化单元，用于控制数字化单元、通信单元和供电电路的控制电路，用于接收主机系统控制命令和完成采集数据上传的数据通信单元和用于向前述五单元供电的供电电路六大单元组成。

2.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述MEMS地震传感器、弱信号检测及反馈电路、数字化单元、控制电路、数据通信单元依次相连，供电电路共连前述五个单元。

3.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述MEMS地震传感器采用三层硅片三明治结构，采用八梁支撑、上下对称的双面梁质量块结构单片制作。

4.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于弱信号检测及反馈电路进行低噪音电容信号放大和大动态范围放大，采用模拟力反馈电路提高信噪比。

5.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路直接连接并集成为一体。

6.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述数字化单元包括前置放大、Δ-∑调制、数字滤波功能，提供24位的A/D转换精度，可以程序设置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并实现4、2、1、0.5、或0.25ms的采样率。

7.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述控制电路为嵌入式CPU。

8.根据权利要求1所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述数字化单元采用CirrusLogic公司的A/D转换套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述MEMS数字地震检波器，其特征在于整体结构包括上盖、引出电缆、电路板、传感器芯体、外壳和尾锥；所述数字化单元、控制电路、数据通信单元和供电电路集成于所述电路板上；MEMS地震传感器和弱信号检测及反馈电路集成在一个铝合金芯体上成为所述传感器芯体；电路板和传感器芯体由上盖封装在塑料外壳内，传感器芯体引出电极连接到电路板上，电路板由引出电缆引出二对电缆，其中一对负责为电路板供电，另一对作为数据线，尾锥安装在外壳的下端并作为接地部件。

10.根据权利要求9所述MEMS数字地震检波器，其特征在于所述传感器芯体的地震传感器由一组MEMS地震传感器组成单分量数字检波器，或三组MEMS地震传感器正交集成在一个铝合金芯体上组成三分量数字检波器。

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