地震勘探用三维MEMS加速度传感器的研究*

谌贵辉，刘建生，李 礼，杨 帆

(西南石油大学电子信息工程学院，四川成都610500)

0 引言

目前，地震信号传感器——检波器仍然沿用传统的、老式的动圈式机电感应传感器。这种传统的检波器在体积、坚固性、灵敏度和失真度等技术性能上有了长足的进步，但机械式的传感器的某些固有缺点却难以克服，如，动态范围小，最多达60 dB;对10 Hz以下的低频地震信号无能为力;在三分量应用中各轴向之间干扰严重，灵敏度低，误差大。石油工业理论证明，利用地震波中的横波分量(S波)数据能识别和估计地下岩性和孔隙度等油藏特征，但是现在进行的油藏描述工作采用的主要手段仍然是基于纵波(P波)的传统地震方法，横波的利用则进展不大，原因是利用传统的地震检波器进行三分量地震勘探中获得的横波数据质量不理想，特别是难以达到轴间抗干扰指标(即矢量保真度指标)，再加上野外施工中检波器的倾角和方位误差、各轴向间的灵敏度误差等因素都使P波和S波信号相互混淆［1］。

使用MEMS技术的检波器所接收到的地震数据可以在最终叠加数据上保留至3 Hz的地震信号，高频分量也有明显的提升，其动态范围大于100 dB，在三分量地震勘探中，能更好地分离P波和S波。但目前三分量数字传感器是用3只MEMS加速度传感器正交直角安装成的三分量数字传感器，这样不便于检测同点的三维地震信号。本文设计了一种基于电容结构的三维MEMS加速度传感器，这种加速度传感器拟采用微电子加工技术在两块基片上研制出能检测到三维地震波信号的MEMS检波器，即在X，Y，Z方向微加工出三套电容性机械振动系统。新型MEMS数字检波器的应用和推广，必将促进油气勘探和开发工作的技术进步，对降低勘探、开发风险和提高油藏采收率有着重要意义［2］。

1 三维MEMS加速度传感器系统结构

三维MEMS加速度芯片是分别对两块硅基底，采用表面工艺和体工艺相结合的加工方法，利用磁控溅射、光刻、化学刻蚀及等离子体刻蚀等技术手段，再对准键合、封装，制作X，Y，Z方向三套电容性机械振动系统，设计外围辅助电路，进行信号的采集和调理工作，使之输出三路模拟电压信号，再屏蔽、封装等处理后构成性能可靠的三分量加速度传感器。这有别于传统三分量MEMS传感器，传统三分量数字传感器普遍是用3个MEMS加速度传感器芯片正交直角安装成的三分量数字传感器［3，4］，这样很不经济，也不便于反映出同一点地震波信号。

三维加速度单轴均采用闭环检测电路，如图1所示。

图1 三维加速度单轴检波器检测电路Fig 1 Detecting circuit of 3D acceleration single axis detector

电容效应加速度传感器的质量块上溅射金属良导体附着在悬臂硅梁上作为活动电极，并夹在两个固定电极之间，组成一个差动平板电容器。当有加速度a作用时，活动极板将产生偏离中间位置的位移，引起电容ΔC变化，变化量由开关—电容检测电路检测并放大输出，再由脉冲宽度调制器感受且产生2个调制信号VE和，并反馈到电容器的活动和固定电极上，引起一个与偏离位移呈正比且总是阻止活动极板偏离中间位置的静电力，这就构成了脉宽调制的静电伺服系统。脉冲宽度正比于加速度a，经过低通滤波器的脉冲宽度调制信号VE类比于传感器的输出电压VC，实现了通过脉冲宽度测量加速度a。

2 三维加速度传感器系统仿真模型

三维加速度传感器系统整体仿真模型如图2所示。其中三维加速度传感器检波器芯片的微结构从动力学角度看，是一个单自由度的有粘性阻尼的弹簧质量系统。当传感器受到加速度时，由于惯性，质量块将相对于加速度方向运动，同时受到同向的惯性力和反向的弹簧弹性力和粘性阻尼力作用。令m为质量块的质量，B为粘性阻尼力系数，K为弹簧弹性系数，x为质量块相对于加速度方向移动的位移，a为外部输入的加速度信号，这个加速度引起悬臂梁挠度变化，从而引起电容改变，利用C/V转换电路可得输出电压。利用PSPICE仿真软件的可变导纳子电路模型，调用行为描述模块，可以得到其压控电容模型。此外模型中还包处理电路模块，处理电路模块包括调制解调器与二阶低通滤波器，其中PID控制器用来对系统进行补偿，设其控制参数分别为KP，KI，KD，则此模型的闭环传输函数为［5］

其中，Kpo为系统增益系数，KF为反馈电路增益系数，m为质量块的质量，B为粘性阻尼力系数，K为弹簧弹性系数。一般而言，传感器微结构的参数(K，B)越小，PID控制器对系统的控制作用越强。在设计时尽量采用较小的弹性系数和阻尼系数。

图2 单轴检测系统的整体仿真模型Fig 2 Overall simulation model of single axis detecting system

3 仿真结果

图3 系统阶跃响应Fig 3 Step response of the system

根据建立的系统模型，令传感器的具体参数为:质量块质量 m=20×10－6kg，粘性阻尼力系数 B=3×10－3Ns/m，弹簧弹性系数K=40 N/m。同时设置PID控制参数分别为KP=5，KI=0.05，KD=0.0025。当对其加 1gn阶跃加速度，并分析瞬态响应，可得如图3所示的阶跃响应，其稳态响应建立时间大约为200μs。当给系统输入幅值为1gn，频率为200Hz的正弦波时，得到其响应曲线为图4所示。仿真结果表明:系统输出响应和输入加速度基本一致。当然这个结果是没有考虑系统寄生电容等参数，且和PID控制器参数设置有关，PID参数设置恰当可以使系统的增益减小，但却大大减小了系统的响应时间和调节时间，同时对系统的相位补偿作用也显著。

图4 系统正弦响应Fig 4 Sinusoidal response of the system

4 结论

根据硅结构三维MEMS电容式加速度传感器的特点和结构建立其系统模型，并用PSPICE描述语言实现，对该加速度传感器模型的阶跃响应、正弦稳态响应分别进行了模拟仿真，仿真结果和理论分析近似相同，表明该模型能够反映电容式加速度传感器的各性能指标。

基于三维MEMS的新型高精度地震检波器是专门针对多分量、高分辨能力、高信噪比、高保真度、高清晰度、高精度设计的采集系统，它的使用与推广，使得操作效率大幅提高，从而有助于多分量采集成本的降低，使转换波数据的处理解释质量也大大提高［6］。

［1］Macwell P W，Burch D N ，Crlss C J.Principles behind vector acquuisition［C］∥Expanded Abstracts of 74th Annual Internat SEG MTG，2004:1－4.

［2］Rainier A，Michael M.Prospection and exploration of Alpine salt deposits—A challenge for geologists and geophysicists［J］.Journal for Exploration，Mining and Metallurgy，2003，56:257－264.

［3］张 莉，解文荣，李秀荣.基于微电子系统MEMS加速度地震勘探三分量数字检波器简介［J］.中国煤田地质，2006，18(2):57－59.

［4］Lemkin M A，Boser B E，Auslander D，et al.A 3-axis force balanced accelerometer using a single proof-mass［C］∥1997 International Conference on Solid-state Sensors and Actuators，1997:1185－1188.

［5］Kraft M，Lewis CP，Hesketh TG.Closed-loop silicon accelerometers［J］.IEE Prix Circuits Devices Syst，1998，145(5):325－331.

［6］陈金鹰，龚江涛，庞 进，等.地震检波器技术与发展研究［J］.物探化探计算技术，2007，29(5):382－385.