專利名稱：Mems數(shù)字地震檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地震檢波器，特別是涉及一種MEMS數(shù)字地震檢波器。
背景技術(shù)：
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(chǎn)資源的重要勘探方法，并廣泛應(yīng)用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工程勘探和檢測、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測等等方面。地震勘探中用來直接拾取地震振動，并將振動轉(zhuǎn)換為符合儀器記錄系統(tǒng)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(huán)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(yīng)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(shù)字檢波器。地震檢波器的指標(biāo)決定了地震勘探儀器的主要技術(shù)指標(biāo)。目前國內(nèi)外使用最多的是動圈式地震檢波器，這種檢波器已經(jīng)有50年的發(fā)展歷史，重量從最初的幾千克級發(fā)展到目前的幾十克級，在地震勘探中得到了廣泛使用。但由于其固有的機械特征，這種檢波器靈敏度低、動態(tài)范圍小(60dB左右)、頻帶窄(10 200Hz)、 抗干擾能力差、質(zhì)量和體積都較大，而目前的地震儀器已經(jīng)達到了 120dB的動態(tài)范圍，所以不能充分發(fā)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(guī)檢波器(通常是 12個至72個左右)檢波器串并聯(lián)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(chǎn)效率，還降低了勘探分辨率。而且在野外使用中其連接電纜傳送的是模擬信號，抗干擾能力差。常規(guī)地震檢波器對彈簧材料的要求很高，制造彈簧的工藝復(fù)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(guī)地震檢波器里的磁鐵在撞擊和高溫狀態(tài)下容易退磁，這也是它壽命短和性能不穩(wěn)定的重要原因。MEMS是微機電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems)的英文縮寫，是一種能進行電子感應(yīng)或反應(yīng)的超小型化機械器件。MEMS器件能用類似于半導(dǎo)體制造工藝進行相對低成本的大量生產(chǎn)。目前，MEMS器件廣泛應(yīng)用于自動化設(shè)備(如氣囊感應(yīng)器和發(fā)動機的各種壓力傳感器)和計算機元器件(如噴墨打印機噴嘴和硬盤讀寫頭)中。MEMS地震傳感器就是使用MEMS技術(shù)的地震傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種靈敏度高、動態(tài)范圍大、頻帶寬、抗干擾能力強、質(zhì)量體積小的MEMS數(shù)字地震檢波器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明MEMS數(shù)字地震檢波器由采集地震信號的MEMS地震傳感器，用于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(zhuǎn)化成數(shù)字信號的數(shù)字化單元，用于控制數(shù)字化單元，通信單元和供電電路的控制電路、用于接收主機系統(tǒng)控制命令和完成采集數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)通信單元和用于向前述五單元供電的供電電路六大單元組成。本發(fā)明裝置采用模擬電路力反饋方式，特點是響應(yīng)速度快，電路結(jié)構(gòu)簡單。這是與國際上其他MEMS數(shù)字地震檢波器最明顯的區(qū)別。ION公司和krcel公司的MEMS數(shù)字地震檢波器均采用ASIC電路進行數(shù)字化方案， 本發(fā)明的ASIC電路先完成低噪音電容信號放大和模擬力反饋，然后加接地震勘探專用M 位的A/D轉(zhuǎn)換電路方式，這種方案有較寬的前放增益和較高的轉(zhuǎn)換精度，有利于應(yīng)用于不同地區(qū)。本發(fā)明的數(shù)據(jù)通信單元提供了與地震儀器主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能，接收主機的控制命令和完成采集數(shù)據(jù)的上傳。與常規(guī)模擬動圈式檢波器相比，本發(fā)明MEMS數(shù)字檢波器具有重量輕、頻帶寬、動態(tài)范圍大、畸變小、抗干擾能力強等優(yōu)點，必將替代目前使用最廣的模擬動圈式檢波器。特別是由于反饋電路的引入，使得本地震檢波器的動態(tài)范圍達到IlOdB,小信號識別能力大大提高，真正成為傳統(tǒng)檢波器的替代產(chǎn)品，另外，本發(fā)明MEMS數(shù)字檢波器特別適用于單檢波器高密度采集技術(shù)?？蛇m用于石油、天然氣、煤田及礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面。作為優(yōu)化，所述MEMS地震傳感器、弱信號檢測及反饋電路、數(shù)字化單元、控制電路、數(shù)據(jù)通信單元依次相連，供電電路共連前述五個單元。作為優(yōu)化，所述MEMS地震傳感器采用三層硅片三明治結(jié)構(gòu)，采用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)單片制作。本發(fā)明的MEMS地震傳感器采用三層硅片三明治結(jié)構(gòu)， 采用專門的鍵合工藝，與國際上采用的四層硅片三明治結(jié)構(gòu)相比，具有制作工藝簡單，成品率高等特點。采用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)單片制作、一次成型技術(shù)，既簡化了制作工藝，又可大大降低熱噪聲和交叉軸靈敏度。采用上述設(shè)計和工藝制作的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(yōu)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(tài)范圍放大， 采用模擬力反饋電路提高信噪比。即本發(fā)明的弱信號檢測及反饋電路采用低噪音電容信號放大技術(shù)和大動態(tài)范圍放大技術(shù)，特別采用了模擬力反饋電路提高信噪比，有利于檢測弱信號成分，提高了傳感器的動態(tài)范圍，使得動態(tài)范圍達到IlOdB,滿足了高精度地震勘探的需要。作為優(yōu)化，所述MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路直接連接并集成為一體。由于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并集成為一體。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，并提高了抗干擾能力。作為優(yōu)化，所述數(shù)字化單元包括前置放大、Δ- Σ調(diào)制、數(shù)字濾波(等)功能，提供 24位的A/D轉(zhuǎn)換精度，可以程序設(shè)置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益， 并實現(xiàn)4、2、1、0. 5、或0. 25ms的采樣率。作為優(yōu)化，控制電路為嵌入式CPU，控制數(shù)字化單元完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，控制通信單元實現(xiàn)與地震儀系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)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(shù)字化單元、控制電路和數(shù)據(jù)通信單元的供電。作為優(yōu)化，所述數(shù)字化單元采用Cirrus Logic公司的A/D轉(zhuǎn)換套件CS3301A、 CS5373A 和 CS5378 或 TI 公司的 AD1282 芯片。
作為優(yōu)化，整體結(jié)構(gòu)包括上蓋、引出電纜、電路板、傳感器芯體、外殼和尾錐；所述數(shù)字化單元、控制電路、數(shù)據(jù)通信單元和供電電路集成于所述電路板上；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(nèi)，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(fù)責(zé)為電路板供電，另一對作為數(shù)據(jù)線，尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。即本發(fā)明的MEMS地震數(shù)字檢波器的整體結(jié)構(gòu)由上蓋、引出電纜、電路板、 傳感器芯體、外殼和尾錐等組成。數(shù)字化單元、控制電路、數(shù)據(jù)通信單元和供電電路集成于一塊電路板上，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(guī)動圈式芯體一致，這樣與常規(guī)動圈式芯體可以互換，區(qū)別在于常規(guī)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(nèi)，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(fù)責(zé)為電路板供電，另一對作為數(shù)據(jù)線，尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。作為優(yōu)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(shù)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(shù)字檢波器。 組成三分量數(shù)字檢波器是本發(fā)明裝置MEMS地震數(shù)字檢波器由于沒有方向性和很小的軸向干擾，非常容易組合成相互正交的三分量數(shù)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。采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明MEMS數(shù)字地震檢波器具有重量輕、體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、頻帶寬、動態(tài)范圍大、畸變小、小信號識別能力和抗干擾能力強，可靠性好的優(yōu)點。特別適用于單檢波器高密度采集，滿足了高精度地震勘探的需要。廣泛適用于石油、天然氣、煤田及礦產(chǎn)勘探、地質(zhì)工程勘察、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等方面。


圖1是本發(fā)明MEMS數(shù)字地震檢波器的電路原理框圖；圖2是MEMS數(shù)字地震檢波器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖所示，本發(fā)明MEMS數(shù)字地震檢波器由采集地震信號的MEMS地震傳感器MEMS， 用于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(zhuǎn)化成數(shù)字信號的數(shù)字化單元AtoD，用于控制數(shù)字化單元、通信單元和供電電路的控制電路CPU，用于接收主機系統(tǒng)控制命令和完成采集數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)通信單元C和用于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(shù)字化單元AtoD、控制電路CPU、數(shù)據(jù)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(yōu)選采用中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研制的MEMS 地震傳感器，弱信號檢測及反饋電路ASIC按照設(shè)計進行定制，兩個器件配合后可以達到 IlOdB的動態(tài)范圍，達到了國際先進水平。所述弱信號檢測及反饋電路ASIC采用低噪音電容信號放大技術(shù)和大動態(tài)范圍放大技術(shù)，特別采用了模擬力反饋電路提高信噪比，有利于檢測弱信號成分，提高了傳感器的動態(tài)范圍，使得動態(tài)范圍達到IlOdB,小信號識別能力大大提高，真正成為傳統(tǒng)檢波器的替代產(chǎn)品，特別適用于單檢波器接收技術(shù)，滿足了高精度地震勘探的需要。如果批量生產(chǎn)后，成本能夠得到控制，將真正成為傳統(tǒng)檢波器的替代產(chǎn)品。MEMS地震傳感器MEMS采用三層硅片三明治結(jié)構(gòu)，采用(專門的)鍵合工藝，與國際上采用的四層硅片三明治結(jié)構(gòu)相比，具有制作工藝簡單，成品率高等特點。采用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)單片制作、一次成型技術(shù)，既簡化了制作工藝，又可大大降低熱噪聲和交叉軸靈敏度。采用上述設(shè)計和工藝制作的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直接連接并集成為一體。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，并提高了抗干擾能力。所述數(shù)字化單元AtoD包括前置放大、Δ - Σ調(diào)制、數(shù)字濾波等功能，提供M位的 A/D轉(zhuǎn)換精度，可以程序設(shè)置0dB、6dB、12dB、18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并實現(xiàn) 4、2、1、0· 5、或 0. 25ms 的采樣率。所述控制電路為嵌入式CPU?？刂齐娐凡捎靡粔KC51或ARM系列嵌入式CPU，在完成控制數(shù)字化單元、通信單元和供電電路條件下采用最省電的芯片。所述數(shù)字化單元采用 Cirrus Logic 公司的 A/D 轉(zhuǎn)換套件 CS3301A、CS5373A 和 CS5378 或 TI 公司的 AD1282 芯片。數(shù)據(jù)通信單元提供了與地震儀器主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能，接收主機的控制命令和完成采集數(shù)據(jù)的上傳。這需要與主機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議相一致。本發(fā)明MEMS數(shù)字地震檢波器整體結(jié)構(gòu)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(shù)字化單元AtoD、控制電路CPU、數(shù)據(jù)通信單元C和供電電路P集成于所述電路板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(guī)動圈式芯體一致，這樣與常規(guī)動圈式芯體可以互換，區(qū)別在于常規(guī)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(nèi)，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(fù)責(zé)為電路板供電，另一對作為數(shù)據(jù)線， 尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。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，我們采用48V供電，要求當(dāng)電壓降到27V時數(shù)字檢波器還能正常工作。本發(fā)明MEMS地震數(shù)字檢波器由于沒有方向性和很小的軸向干擾(軸向干擾小于 )，非常容易組合成相互正交的三分量數(shù)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(shù)字檢波器。
權(quán)利要求
1.一種MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于由采集地震信號的MEMS地震傳感器，用于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(zhuǎn)化成數(shù)字信號的數(shù)字化單元，用于控制數(shù)字化單元、通信單元和供電電路的控制電路，用于接收主機系統(tǒng)控制命令和完成采集數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)通信單元和用于向前述五單元供電的供電電路六大單元組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于所述MEMS地震傳感器、弱信號檢測及反饋電路、數(shù)字化單元、控制電路、數(shù)據(jù)通信單元依次相連，供電電路共連前述五個單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于所述MEMS地震傳感器采用三層硅片三明治結(jié)構(gòu)，采用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)單片制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于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(tài)范圍放大，采用模擬力反饋電路提高信噪比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于所述MEMS地震傳感器和弱信號檢測及反饋電路直接連接并集成為一體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于所述數(shù)字化單元包括前置放大、Δ - Σ調(diào)制、數(shù)字濾波功能，提供M位的A/D轉(zhuǎn)換精度，可以程序設(shè)置0dB、6dB、12dB、 18dB、24dB、30dB或36dB的前放增益，并實現(xiàn)4、2、1、0· 5、或0. 25ms的采樣率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于所述控制電路為嵌入式CPU。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于所述數(shù)字化單元采用Cirrus Logic公司的A/D轉(zhuǎn)換套件CS3301A、CS5373A和CS5378或TI公司的AD1282芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于整體結(jié)構(gòu)包括上蓋、引出電纜、電路板、傳感器芯體、外殼和尾錐；所述數(shù)字化單元、控制電路、數(shù)據(jù)通信單元和供電電路集成于所述電路板上；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(nèi)，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(fù)責(zé)為電路板供電，另一對作為數(shù)據(jù)線，尾錐安裝在外殼的下端并作為接地部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述MEMS數(shù)字地震檢波器，其特征在于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(shù)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(shù)字檢波器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種MEMS數(shù)字地震檢波器，為解決現(xiàn)有地震檢波器靈敏度和抗干擾能力差問題，其由采集地震信號的MEMS地震傳感器，用于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(zhuǎn)化成數(shù)字信號的數(shù)字化單元，用于控制數(shù)字化單元、通信單元和供電電路的控制電路，用于接收主機系統(tǒng)控制命令和完成采集數(shù)據(jù)上傳的數(shù)據(jù)通信單元和用于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并集成為一體。所述控制電路為嵌入式CPU。所述MEMS地震傳感器采用三層硅片三明治結(jié)構(gòu)，采用八梁支撐、上下對稱的雙面梁質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)單片制作。其具有重量輕、體積小、靈敏度高、響應(yīng)速度快、頻帶寬、動態(tài)范圍大、畸變小、小信號識別能力和抗干擾能力強，可靠性好的優(yōu)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(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)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(shù)研究院, 中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京吉奧菲斯科技有限責(zé)任公司