諶貴輝，劉建生，李 禮，楊 帆

(西南石油大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川成都610500)

0 引言

目前，地震信號傳感器——檢波器仍然沿用傳統(tǒng)的、老式的動圈式機電感應(yīng)傳感器。這種傳統(tǒng)的檢波器在體積、堅固性、靈敏度和失真度等技術(shù)性能上有了長足的進步，但機械式的傳感器的某些固有缺點卻難以克服，如，動態(tài)范圍小，最多達60 dB;對10 Hz以下的低頻地震信號無能為力;在三分量應(yīng)用中各軸向之間干擾嚴(yán)重，靈敏度低，誤差大。石油工業(yè)理論證明，利用地震波中的橫波分量(S波)數(shù)據(jù)能識別和估計地下巖性和孔隙度等油藏特征，但是現(xiàn)在進行的油藏描述工作采用的主要手段仍然是基于縱波(P波)的傳統(tǒng)地震方法，橫波的利用則進展不大，原因是利用傳統(tǒng)的地震檢波器進行三分量地震勘探中獲得的橫波數(shù)據(jù)質(zhì)量不理想，特別是難以達到軸間抗干擾指標(biāo)(即矢量保真度指標(biāo))，再加上野外施工中檢波器的傾角和方位誤差、各軸向間的靈敏度誤差等因素都使P波和S波信號相互混淆［1］。

使用MEMS技術(shù)的檢波器所接收到的地震數(shù)據(jù)可以在最終疊加數(shù)據(jù)上保留至3 Hz的地震信號，高頻分量也有明顯的提升，其動態(tài)范圍大于100 dB，在三分量地震勘探中，能更好地分離P波和S波。但目前三分量數(shù)字傳感器是用3只MEMS加速度傳感器正交直角安裝成的三分量數(shù)字傳感器，這樣不便于檢測同點的三維地震信號。本文設(shè)計了一種基于電容結(jié)構(gòu)的三維MEMS加速度傳感器，這種加速度傳感器擬采用微電子加工技術(shù)在兩塊基片上研制出能檢測到三維地震波信號的MEMS檢波器，即在X，Y，Z方向微加工出三套電容性機械振動系統(tǒng)。新型MEMS數(shù)字檢波器的應(yīng)用和推廣，必將促進油氣勘探和開發(fā)工作的技術(shù)進步，對降低勘探、開發(fā)風(fēng)險和提高油藏采收率有著重要意義［2］。

1 三維MEMS加速度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

三維MEMS加速度芯片是分別對兩塊硅基底，采用表面工藝和體工藝相結(jié)合的加工方法，利用磁控濺射、光刻、化學(xué)刻蝕及等離子體刻蝕等技術(shù)手段，再對準(zhǔn)鍵合、封裝，制作X，Y，Z方向三套電容性機械振動系統(tǒng)，設(shè)計外圍輔助電路，進行信號的采集和調(diào)理工作，使之輸出三路模擬電壓信號，再屏蔽、封裝等處理后構(gòu)成性能可靠的三分量加速度傳感器。這有別于傳統(tǒng)三分量MEMS傳感器，傳統(tǒng)三分量數(shù)字傳感器普遍是用3個MEMS加速度傳感器芯片正交直角安裝成的三分量數(shù)字傳感器［3，4］，這樣很不經(jīng)濟，也不便于反映出同一點地震波信號。

三維加速度單軸均采用閉環(huán)檢測電路，如圖1所示。

圖1 三維加速度單軸檢波器檢測電路Fig 1 Detecting circuit of 3D acceleration single axis detector

電容效應(yīng)加速度傳感器的質(zhì)量塊上濺射金屬良導(dǎo)體附著在懸臂硅梁上作為活動電極，并夾在兩個固定電極之間，組成一個差動平板電容器。當(dāng)有加速度a作用時，活動極板將產(chǎn)生偏離中間位置的位移，引起電容ΔC變化，變化量由開關(guān)—電容檢測電路檢測并放大輸出，再由脈沖寬度調(diào)制器感受且產(chǎn)生2個調(diào)制信號VE和，并反饋到電容器的活動和固定電極上，引起一個與偏離位移呈正比且總是阻止活動極板偏離中間位置的靜電力，這就構(gòu)成了脈寬調(diào)制的靜電伺服系統(tǒng)。脈沖寬度正比于加速度a，經(jīng)過低通濾波器的脈沖寬度調(diào)制信號VE類比于傳感器的輸出電壓VC，實現(xiàn)了通過脈沖寬度測量加速度a。

2 三維加速度傳感器系統(tǒng)仿真模型

三維加速度傳感器系統(tǒng)整體仿真模型如圖2所示。其中三維加速度傳感器檢波器芯片的微結(jié)構(gòu)從動力學(xué)角度看，是一個單自由度的有粘性阻尼的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)傳感器受到加速度時，由于慣性，質(zhì)量塊將相對于加速度方向運動，同時受到同向的慣性力和反向的彈簧彈性力和粘性阻尼力作用。令m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，B為粘性阻尼力系數(shù)，K為彈簧彈性系數(shù)，x為質(zhì)量塊相對于加速度方向移動的位移，a為外部輸入的加速度信號，這個加速度引起懸臂梁撓度變化，從而引起電容改變，利用C/V轉(zhuǎn)換電路可得輸出電壓。利用PSPICE仿真軟件的可變導(dǎo)納子電路模型，調(diào)用行為描述模塊，可以得到其壓控電容模型。此外模型中還包處理電路模塊，處理電路模塊包括調(diào)制解調(diào)器與二階低通濾波器，其中PID控制器用來對系統(tǒng)進行補償，設(shè)其控制參數(shù)分別為KP，KI，KD，則此模型的閉環(huán)傳輸函數(shù)為［5］

其中，Kpo為系統(tǒng)增益系數(shù)，KF為反饋電路增益系數(shù)，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，B為粘性阻尼力系數(shù)，K為彈簧彈性系數(shù)。一般而言，傳感器微結(jié)構(gòu)的參數(shù)(K，B)越小，PID控制器對系統(tǒng)的控制作用越強。在設(shè)計時盡量采用較小的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)。

圖2 單軸檢測系統(tǒng)的整體仿真模型Fig 2 Overall simulation model of single axis detecting system

3 仿真結(jié)果

圖3 系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig 3 Step response of the system

根據(jù)建立的系統(tǒng)模型，令傳感器的具體參數(shù)為:質(zhì)量塊質(zhì)量 m=20×10－6kg，粘性阻尼力系數(shù) B=3×10－3Ns/m，彈簧彈性系數(shù)K=40 N/m。同時設(shè)置PID控制參數(shù)分別為KP=5，KI=0.05，KD=0.0025。當(dāng)對其加 1gn階躍加速度，并分析瞬態(tài)響應(yīng)，可得如圖3所示的階躍響應(yīng)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)建立時間大約為200μs。當(dāng)給系統(tǒng)輸入幅值為1gn，頻率為200Hz的正弦波時，得到其響應(yīng)曲線為圖4所示。仿真結(jié)果表明:系統(tǒng)輸出響應(yīng)和輸入加速度基本一致。當(dāng)然這個結(jié)果是沒有考慮系統(tǒng)寄生電容等參數(shù)，且和PID控制器參數(shù)設(shè)置有關(guān)，PID參數(shù)設(shè)置恰當(dāng)可以使系統(tǒng)的增益減小，但卻大大減小了系統(tǒng)的響應(yīng)時間和調(diào)節(jié)時間，同時對系統(tǒng)的相位補償作用也顯著。

圖4 系統(tǒng)正弦響應(yīng)Fig 4 Sinusoidal response of the system

4 結(jié)論

根據(jù)硅結(jié)構(gòu)三維MEMS電容式加速度傳感器的特點和結(jié)構(gòu)建立其系統(tǒng)模型，并用PSPICE描述語言實現(xiàn)，對該加速度傳感器模型的階躍響應(yīng)、正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分別進行了模擬仿真，仿真結(jié)果和理論分析近似相同，表明該模型能夠反映電容式加速度傳感器的各性能指標(biāo)。

基于三維MEMS的新型高精度地震檢波器是專門針對多分量、高分辨能力、高信噪比、高保真度、高清晰度、高精度設(shè)計的采集系統(tǒng)，它的使用與推廣，使得操作效率大幅提高，從而有助于多分量采集成本的降低，使轉(zhuǎn)換波數(shù)據(jù)的處理解釋質(zhì)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］張 莉，解文榮，李秀榮.基于微電子系統(tǒng)MEMS加速度地震勘探三分量數(shù)字檢波器簡介［J］.中國煤田地質(zhì)，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］陳金鷹，龔江濤，龐 進，等.地震檢波器技術(shù)與發(fā)展研究［J］.物探化探計算技術(shù)，2007，29(5):382－385.