面向地球物理應(yīng)用的高精度MEMS慣性傳感器

王 秋， 劉驊鋒， 涂良成

(1.華中科技大學(xué)地球物理研究所，武漢430074；2.重力導(dǎo)航教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System,MEMS)是指可批量制作,集微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路等于一體的微型器件或機(jī)電系統(tǒng),起源于集成電路(IC)技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器,MEMS傳感器具有尺寸小、易于與電路集成、易于批量化生產(chǎn)、低成本等優(yōu)點(diǎn),在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。微慣性傳感器是采用硅、石英、金屬或其他半導(dǎo)體材料通過(guò)MEMS工藝制作的用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體加速度、角速度和角加速度的傳感器。對(duì)應(yīng)地,MEMS慣性傳感器包括MEMS加速度計(jì)、MEMS角速度傳感器(陀螺儀)、MEMS角加速度傳感器,以及它們的組合微慣性測(cè)量單元(MIMU)等[3]。其中,文獻(xiàn)[4]已經(jīng)對(duì)MEMS陀螺儀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,本文不再對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述。

由于在體積、質(zhì)量、成本等方面的優(yōu)勢(shì),MEMS慣性傳感器得到了迅速發(fā)展,特別是在中低端市場(chǎng),其已逐漸取代傳統(tǒng)的慣性傳感器并促進(jìn)了新興行業(yè)的飛速發(fā)展。低成本、低精度的MEMS加速度計(jì)在汽車電子和消費(fèi)電子領(lǐng)域中的應(yīng)用非常普遍,如從最早的安全氣囊到車輛穩(wěn)定性系統(tǒng),從游戲手柄、手機(jī)應(yīng)用到室內(nèi)導(dǎo)航定位等。此外,MEMS加速度計(jì)還可用于醫(yī)療健康領(lǐng)域,機(jī)床、橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)等工業(yè)領(lǐng)域,以及高g值的沖擊波研究、彈道學(xué)領(lǐng)域等。圖1描述了MEMS加速度計(jì)的不同應(yīng)用領(lǐng)域及所對(duì)應(yīng)的加速度測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍、帶寬要求。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,以及MEMS慣性傳感器性能的不斷提高,更多細(xì)分的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)逐步涌現(xiàn),其中不乏高精度MEMS慣性傳感器。高精度的MEMS慣性傳感器可以滿足中低精度慣性導(dǎo)航的軍事領(lǐng)域的需求,以及微重力環(huán)境下的軌道擾動(dòng)加速度的測(cè)量等空間技術(shù)領(lǐng)域的需求等,這些均在相關(guān)的綜述文獻(xiàn)中有較詳細(xì)的報(bào)道[5]。

近10年來(lái),高精度的MEMS慣性傳感器在地球物理領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)嶄露頭角,比如地震檢波、資源勘探等。但是,地球物理領(lǐng)域?qū)EMS慣性傳感器的具體應(yīng)用需求還缺乏較為全面的、系統(tǒng)的調(diào)研分析和總結(jié)。因此,本文將針對(duì)地球物理領(lǐng)域?qū)Ω呔萂EMS慣性傳感器的應(yīng)用需求和目前的高精度慣性傳感器的研究現(xiàn)狀,展開全面、系統(tǒng)的分析,并提出該領(lǐng)域未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。

1 地球物理領(lǐng)域?qū)T性傳感器的需求分析

1.1 地震監(jiān)測(cè)

地震是地球內(nèi)部介質(zhì)在局部發(fā)生急劇的破裂而產(chǎn)生地震波,從而在一定范圍內(nèi)引起地面震動(dòng)的現(xiàn)象。使用地震監(jiān)測(cè)儀器來(lái)監(jiān)測(cè)震源位置、地震深度、震級(jí)和烈度來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震的發(fā)生,可以了解掌握地質(zhì)災(zāi)害的演變過(guò)程,降低自然災(zāi)害損失。當(dāng)震源深度較大時(shí),可以通過(guò)監(jiān)測(cè)傳輸速度更快的地震P波,并利用短暫的時(shí)間差,預(yù)警滯后于P波、破壞性更強(qiáng)的S波和面波的到來(lái),從而在一定程度上減少地震人員傷亡數(shù)量。

自我國(guó)古代張衡研制的用于指向地震方位的地震儀,至今地震儀已經(jīng)發(fā)展得非常成熟。根據(jù)能夠檢測(cè)的地震幅度大小的不同,地震儀一般可分為微震儀和強(qiáng)震儀。微震儀的自噪聲要求優(yōu)于1ng/Hz1/2,常用的微震儀包括Guralp公司的CMG-3T和Nanometrics公司的Trillium 120等。目前,部分微震儀的儀器自噪聲已經(jīng)低于地球新低噪聲模型(NLNM),如美國(guó)Kinemetrics公司的STS2.5微震儀。而強(qiáng)震儀一般只要求噪聲優(yōu)于1μg/Hz1/2,一些高精度力平衡加速度計(jì)已經(jīng)可以滿足需求。另外,在地震監(jiān)測(cè)中,由于慣性加速度和重力加速度的等效性,大氣或局部效應(yīng)引起的傾斜不能通過(guò)單個(gè)地震檢波器實(shí)現(xiàn)分離,因而需要使用角加速度傳感器來(lái)確定傾斜角度,以減小微震儀受傾斜作用而導(dǎo)致的靈敏度變化。由于地震信號(hào)通常在0.0083Hz～50Hz頻帶范圍內(nèi),因此,要求地震儀、角加速度傳感器及其組合能夠盡可能覆蓋此范圍。

1.2 地震法資源勘探

地震法勘探是在鉆探前勘測(cè)石油與天然氣資源的重要手段,在煤田和工程地質(zhì)勘查、區(qū)域地質(zhì)研究和地殼研究等方面,也得到了廣泛應(yīng)用?？碧皆頌樵诘乇硪匀斯し椒ぐl(fā)地震波,在向地下傳播時(shí),遇有介質(zhì)性質(zhì)不同的巖層分界面,地震波將發(fā)生反射與折射,進(jìn)而在地表或井中用檢波器接收這種地震波。收到的地震波信號(hào)與震源特性、檢波點(diǎn)的位置、地震波經(jīng)過(guò)的地下巖層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過(guò)對(duì)地震波記錄進(jìn)行處理和解釋,可以推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài),從而推斷石油、天然氣資源的位置?？碧阶鳂I(yè)通常采用大量地震檢波器分布式組網(wǎng),因此對(duì)地震檢波器的需求很大。地震加速度計(jì)作為一種典型的低成本地震檢波儀器,具有很好的應(yīng)用前景。

1.3 鉆探過(guò)程監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行石油和天然氣鉆探時(shí),鉆柱與井壁、鉆頭與巖石之間的相互作用會(huì)使鉆柱受力變形從而產(chǎn)生復(fù)雜振動(dòng)。鉆具的振動(dòng)主要有3種形式,分別為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng),而鉆探過(guò)程中的振動(dòng)通常為3種振動(dòng)方式的耦合。對(duì)鉆具振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以幫助現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)了解井下鉆具的工作狀況,預(yù)防鉆具事故發(fā)生。

軸向振動(dòng)和橫向振動(dòng)可以通過(guò)加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可以通過(guò)角加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,如Jewell ASB系列、Endevco 7302BM4型和Kistler 8838型角加速度計(jì)。雖然傳統(tǒng)的角加速度計(jì)可以實(shí)現(xiàn)較低的基頻,以獲得更好的靈敏度及對(duì)低頻信號(hào)的響應(yīng)。但是,對(duì)于大規(guī)模部署,必須考慮成本和功效,而MEMS技術(shù)提供了儀器小型化和低成本的潛力。

1.4 重力法資源勘探

地球表面的重力由萬(wàn)有引力和所處位置的地球自轉(zhuǎn)向心力組成。地球內(nèi)部質(zhì)量分布不均,質(zhì)量越大則萬(wàn)有引力越大,因此各局部區(qū)域的萬(wàn)有引力的大小各不相同。由于高密度礦體、油氣的密度與地球的平均密度相差懸殊,因此礦產(chǎn)、油氣資源的質(zhì)量與地球平均質(zhì)量不同。測(cè)量不同位置的重力加速度,通過(guò)重力反演方法,可計(jì)算出地下質(zhì)量的分布,從而可以獲得礦產(chǎn)、油氣資源的分布信息。

在重力法資源勘探中,常用的測(cè)量重力加速度的儀器被稱為重力儀。根據(jù)重力加速度的測(cè)量方式的不同,重力儀分為絕對(duì)重力儀和相對(duì)重力儀兩種。絕對(duì)重力儀通過(guò)測(cè)量物體自由下落的距離和時(shí)間,精確地測(cè)量該處的重力加速度,典型的商用絕對(duì)重力儀包括FG5、A10、AQG等。相對(duì)重力儀通過(guò)測(cè)量彈簧在不同重力作用下伸長(zhǎng)量的變化來(lái)測(cè)量該處的重力加速度,典型的商用相對(duì)重力儀包括Scintrex CG-6、 GWR iGrav、 g-Phone等。

重力加速度為重力勢(shì)的一階導(dǎo)數(shù),而重力加速度相對(duì)于空間位置的梯度被稱為重力梯度,即重力勢(shì)的二階導(dǎo)數(shù)。重力梯度為張量,與重力測(cè)量相比,具有更高的空間分辨率,能夠反映場(chǎng)源體的細(xì)節(jié),具有廣泛的應(yīng)用前景。測(cè)量重力梯度的儀器被稱為重力梯度儀,目前世界上唯一實(shí)際用于重力法資源勘探的重力梯度儀為洛克希德-馬丁公司研發(fā)的旋轉(zhuǎn)加速度計(jì)式重力梯度儀,其二次研發(fā)的版本主要分為部分張量重力梯度儀(如BHP公司的Falcon系統(tǒng))和全張量重力梯度儀(如Bell Geospace公司的Air-FTG系統(tǒng))。

1.5 固體潮、火山活動(dòng)監(jiān)測(cè)

因地球質(zhì)量分布不均,重力加速度隨空間的分布會(huì)存在差異,而同一位置的重力加速度也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。在日、月和系內(nèi)行星等引力的作用下,江、河、湖、海會(huì)出現(xiàn)潮汐現(xiàn)象,而固體地球也會(huì)產(chǎn)生周期性的形變現(xiàn)象,即固體潮[6]。地球的潮汐形變與其介質(zhì)的物理特征(如密度等)密切相關(guān),因此,對(duì)地球固體潮的觀測(cè)與研究是了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及變化的重要依據(jù)。

火山噴發(fā)是地球內(nèi)部熱能在地表的一種最強(qiáng)烈的顯示,火山在噴發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量火山灰、熔巖流等,會(huì)對(duì)人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生毀滅性影響。在火山周圍采取重力測(cè)量手段,監(jiān)測(cè)火山爆發(fā)前夕的巖漿噴出,可對(duì)火山噴發(fā)進(jìn)行預(yù)警。

固體潮與火山活動(dòng)都會(huì)在固定位置產(chǎn)生重力加速度隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。利用絕對(duì)重力儀或相對(duì)重力儀對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行時(shí)變重力場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),可以進(jìn)一步了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及進(jìn)行自然災(zāi)害預(yù)警。固體潮等重力時(shí)變信號(hào)的頻率約為10-5Hz甚至更低,因而對(duì)相對(duì)重力儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求非常高。

1.6 重力輔助導(dǎo)航

重力輔助導(dǎo)航是一種利用重力儀或重力梯度儀實(shí)時(shí)測(cè)量區(qū)域重力場(chǎng)特征,并與已知的地球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)圖進(jìn)行圖形跟蹤匹配,從而確定當(dāng)前確切位置的導(dǎo)航定位技術(shù)。重力輔助導(dǎo)航主要用于對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時(shí)間累積的誤差進(jìn)行校正。匹配有慣性導(dǎo)航和重力輔助導(dǎo)航的無(wú)源導(dǎo)航系統(tǒng)具有精度高、不受時(shí)間限制、無(wú)需浮出水面、無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn),可最終解決潛艇的長(zhǎng)期隱蔽性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)源自主導(dǎo)航。

重力輔助導(dǎo)航需要重力場(chǎng)數(shù)據(jù)圖、高精度重力實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器和重力場(chǎng)匹配軟件,三要素缺一不可。據(jù)報(bào)道,美國(guó)海軍已經(jīng)具備采用重力儀和重力梯度儀進(jìn)行水下長(zhǎng)航時(shí)重力輔助導(dǎo)航的能力。高精度的重力實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)x器是目前我國(guó)重力輔助導(dǎo)航技術(shù)的瓶頸,而作為重力測(cè)量的核心單元,高精度的加速度傳感器是目前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 國(guó)內(nèi)外研究情況

隨著MEMS技術(shù)發(fā)展的日趨成熟,越來(lái)越多可用于地球物理領(lǐng)域的高精度MEMS慣性傳感器涌現(xiàn)出來(lái),主要包括MEMS地震檢波器、MEMS角加速度計(jì)、MEMS相對(duì)重力儀和MEMS重力梯度儀。這些高精度MEMS慣性傳感器的出現(xiàn),有望為地球物理領(lǐng)域?qū)τ畜w積、質(zhì)量限制或?qū)O端的應(yīng)用環(huán)境和低成本有需求的場(chǎng)合提供有效的解決方案。

2.1 MEMS地震檢波器

目前,在地球物理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的高精度MEMS慣性傳感器是用于地震監(jiān)測(cè)和資源勘探的MEMS地震檢波器。MEMS地震檢波器具有成本低、安裝要求不高、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),適合于高密度布設(shè)。其主要可分為噪聲水平優(yōu)于1μg/Hz1/2的可用于強(qiáng)震測(cè)量的MEMS地震加速度計(jì),以及噪聲水平優(yōu)于1ng/Hz1/2的可用于微震測(cè)量的MEMS微震儀?，F(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外MEMS地震檢波器與傳統(tǒng)商業(yè)微震儀的最低噪聲水平和帶寬對(duì)比如圖2所示,MEMS地震加速度計(jì)采用的傳感方式主要包括電容式、光學(xué)式、隧穿電流式、壓電式、諧振式和電化學(xué)式[2,5,7-8]。

典型的電容式MEMS地震加速度計(jì)為如圖3所示的瑞士Colibrys公司的SF1500型[9]地震加速度計(jì)。SF1500型地震加速度計(jì)采用體硅加工工藝,使用差分變間距的電容位移傳感方式和靜電力伺服反饋控制,輸出為加速度模擬量。敏感結(jié)構(gòu)采用真空封裝,并與電路通過(guò)混合封裝的方式,形成多芯片模塊并安裝在PCB板上。整個(gè)器件的尺寸約為25mm×19.8mm×16.5mm。

SF1500型地震加速度計(jì)在10Hz～1000Hz范圍內(nèi)的噪聲水平為300ng/Hz1/2,線性范圍為±3g,標(biāo)度因數(shù)為1.2V/g,頻率響應(yīng)為DC～1500Hz。該型MEMS地震加速度計(jì)可以在-40℃～85℃范圍內(nèi)工作,并可承受最高1500g的沖擊。

美國(guó)IONVA公司(前身為Input/Output公司)的VectorSeis ML21數(shù)字式三軸MEMS地震加速度計(jì)[10]采用3個(gè)獨(dú)立的單軸電容式MEMS加速度計(jì)正交組合而成,如圖4所示。該型MEMS加速度計(jì)具有動(dòng)態(tài)范圍大、接收頻率響應(yīng)范圍寬和失真度低等優(yōu)點(diǎn),其噪聲水平為40ng/Hz1/2,頻率響應(yīng)范圍為3Hz～375Hz,量程范圍為±0.3g。MEMS加速度計(jì)通常被安裝在模塊內(nèi)部較低位置,以便于更好地與地面耦合,降低噪聲。

RefTek公司的131A-02型井中地震加速度計(jì)由3個(gè)正交安裝的單軸力平衡MEMS加速度計(jì)組合而成,其線性動(dòng)態(tài)范圍為±3g,最低噪聲水平為14ng/Hz1/2,頻率響應(yīng)范圍為DC～500Hz。

法國(guó)Sercel公司的 DSU-508是采用新一代MEMS技術(shù)的地震加速度計(jì)產(chǎn)品[11],其單軸MEMS加速度敏感單元如圖5所示。該型MEMS傳感器采用差分變間距式電容位移傳感和基于靜電力反饋的數(shù)字化閉環(huán)控制電路。據(jù)最新報(bào)道[12],該器件已經(jīng)在自制隔振平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了最低噪聲水平12ng/Hz1/2,其水平軸器件的動(dòng)態(tài)范圍為133dB,低頻響應(yīng)最低為0.001Hz。

美國(guó)HP公司的電容式MEMS地震加速度計(jì)[13]如圖6所示,該型加速度計(jì)采用體硅加工工藝和 “三明治”的封裝方式,采用差分變面積式的電容位移傳感方式,以開環(huán)模式工作。該型加速度計(jì)最低噪聲為10ng/Hz1/2,量程為±80mg,頻率范圍為1Hz～200Hz。

由英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Pike教授小組研制的MEMS火星微震儀[14],采用電容位移傳感和電磁力矩反饋方式。該儀器自噪聲為0.25ng/Hz1/2@1Hz,頻帶范圍為10-5Hz～40Hz,是目前世界上精度最高的MEMS微震儀。MEMS火星微震儀的結(jié)構(gòu)尺寸為25mm×25mm×2mm,如圖7所示。MEMS火星微震儀的工作溫度為－65℃～80℃,可承受30g隨機(jī)振動(dòng)、1200g沖擊過(guò)載,并通過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間輻照測(cè)試。NASA洞察號(hào)火星登陸器已于2018年5月成功發(fā)射,作為其核心載荷,MEMS火星微震儀執(zhí)行了火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)的研究任務(wù)。

華中科技大學(xué)引力中心對(duì)MEMS地震加速度計(jì)展開了多年研究,已取得了豐碩的成果[15]。該MEMS加速度計(jì)如圖8所示,采用體硅刻穿工藝加工、差分變面積式電容位移傳感和電磁力反饋控制,最低噪聲水平為25ng/Hz1/2。新一代噪聲水平優(yōu)于1ng/Hz1/2的MEMS加速度計(jì)正在進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試。

Silicon Audio公司的光學(xué)式MEMS微震儀[16]如圖9所示,該微震儀采用光學(xué)干涉位移傳感和電磁力反饋,最低噪聲水平可達(dá)1ng/Hz1/2@1Hz,動(dòng)態(tài)范圍為183dB@1Hz,在0.005Hz～1000Hz范圍內(nèi)加速度平坦輸出。

斯坦福大學(xué)研制的基于電子隧穿效應(yīng)位移傳感和靜電力反饋的MEMS加速度計(jì)[17]采用體硅加工工藝制造,如圖10所示。該MEMS加速度計(jì)的噪聲水平為20ng/Hz1/2,頻率響應(yīng)范圍為5Hz～1500Hz。

劍橋大學(xué)研制的諧振式MEMS加速度計(jì)[18]如圖11所示,該MEMS結(jié)構(gòu)中的慣性質(zhì)量塊通過(guò)杠桿結(jié)構(gòu)連接到雙端音叉(DETF)諧振器傳感元件。外部加速度施加到慣性質(zhì)量塊上,并通過(guò)杠桿放大傳遞到音叉諧振器上,使一端的音叉振動(dòng)頻率增大,另一端的振動(dòng)頻率減小,從而實(shí)現(xiàn)頻率差分測(cè)量。該MEMS加速度計(jì)的噪聲水平優(yōu)于150ng/Hz1/2,頻率響應(yīng)范圍為1Hz～50Hz。

電化學(xué)式MEMS地震加速度計(jì)與上述MEMS加速度計(jì)的主要不同,在于電化學(xué)加速度計(jì)以液態(tài)的電解液作為慣性質(zhì)量,通常電解液被2片橡膠膜密封在中間裝有多孔電極的管道中。當(dāng)受外界影響發(fā)生振動(dòng)時(shí),電解液在電極附近形成對(duì)流,引起離子濃度的變化,從而產(chǎn)生電流輸出。目前,美國(guó)亞利桑那州州立大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所和PMD Scientific公司都展開了針對(duì)電化學(xué)式MEMS地震加速度計(jì)的相關(guān)研究。中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研制的電化學(xué)式MEMS地震加速度計(jì)[19]如圖12所示,其噪聲水平為10ng/Hz1/2@1Hz,量程為10mg,頻響范圍為0.01Hz～10Hz。

另外,浙江大學(xué)車錄鋒教授團(tuán)隊(duì)、中科院地質(zhì)與地球物理所MEMS團(tuán)隊(duì)在MEMS地震檢波器研制方面都取得了豐碩的成果。

2.2 MEMS角加速度計(jì)

角加速度計(jì)是一種對(duì)角加速度敏感的慣性傳感器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也可視作二階彈簧質(zhì)量塊阻尼系統(tǒng)。傳統(tǒng)的角加速度計(jì)基于伺服力平衡式,或采用石英剪切傳感方式進(jìn)行角加速度測(cè)量。面向地球物理應(yīng)用的角加速度計(jì)要求其自身噪聲水平優(yōu)于,表1列出了已報(bào)道的高精度MEMS角加速度計(jì)的部分參數(shù),包括噪聲水平、頻率響應(yīng)范圍和量程等。

表1 MEMS角加速度計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of MEMS angular accelerometers

密歇根大學(xué)的MEMS角加速度計(jì)[20]采用雙錨支撐旋轉(zhuǎn)盤左右敏感單元,采用電容位移傳感方式, 其噪聲水平為,頻率響應(yīng)范圍為DC～250Hz,量程為350rad/s2,其結(jié)構(gòu)如圖13所示。

Schlumberger公司[21]開發(fā)的MEMS角加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖14所示,其敏感結(jié)構(gòu)采用SOI工藝加工。該MEMS角加速度計(jì)采用電容位移傳感和靜電力反饋, 噪聲水平為,頻率響應(yīng)范圍為60Hz～250Hz。

帝國(guó)理工學(xué)院研制的MEMS角加速度計(jì)[22]的尺寸為30mm×30mm,如圖15所示。

該MEMS傳感器采用面內(nèi)蹺蹺板式敏感結(jié)構(gòu),通過(guò)體硅刻穿工藝加工和差分變面積電容位移傳感,在0.1Hz～10Hz的頻率范圍內(nèi),其噪聲優(yōu)于,量程為200rad/s2。

2.3 MEMS相對(duì)重力儀

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)引力波探測(cè)課題組于2016年在 《Nature》上發(fā)布了一款基于MEMS技術(shù)的微型相對(duì)重力儀原理樣機(jī)[23],其結(jié)構(gòu)如圖16所示。該樣機(jī)的核心敏感單元為由深硅刻蝕工藝加工的類似引力波探測(cè)器所用隔振系統(tǒng)的非線性硅基撓性幾何結(jié)構(gòu),可以在1g重力下實(shí)現(xiàn)低至2.3Hz的本征頻率。結(jié)合高穩(wěn)定的光學(xué)位移傳感器,研制了靈敏度為40μGal/Hz1/2@1Hz、漂移為150μGal/d的MEMS相對(duì)重力儀原理樣機(jī)。該重力儀樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的mK級(jí)主動(dòng)溫控環(huán)境下,測(cè)量到了與理論模型較符合的地球固體潮汐信號(hào)。

華中科技大學(xué)引力中心也開展了基于MEMS的相對(duì)重力儀研究,并在實(shí)驗(yàn)室成功測(cè)量到了地球固體潮汐信號(hào)。

2.4 MEMS重力梯度儀

荷蘭特溫特大學(xué)研制了可工作于低溫環(huán)境下的差分加速度計(jì)式的MEMS重力梯度儀[24],如圖17所示。其傳感器的敏感單元為在4寸硅片上加工的2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的梳齒式加速度計(jì),MEMS重力梯度儀的結(jié)構(gòu)尺寸為80mm×80mm。通過(guò)在硅質(zhì)量塊上粘附金塊,將慣性質(zhì)量增加至20g,并采用了差分變間距式電容位移傳感和靜電力反饋。該傳感器在－196℃的低溫和高真空環(huán)境下達(dá)到1×105的高品質(zhì)因數(shù)的前提下,其理論機(jī)械熱噪聲為107mE/Hz1/2,總的重力梯度理論噪聲為119mE/Hz1/2,但缺乏重力梯度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和后續(xù)報(bào)道。

帝國(guó)理工學(xué)院也報(bào)道了一款基于MEMS角加速度計(jì)的重力梯度儀。2個(gè)背靠背正交放置的MEMS角加速度計(jì)可以共模輸出角加速度信號(hào),差模輸出重力梯度信號(hào)。單個(gè)MEMS角加速度計(jì)的本征頻率為6.6Hz,在室溫和高真空環(huán)境下達(dá)到1×105的高品質(zhì)因數(shù)的前提下,MEMS重力梯度儀系統(tǒng)的理論噪聲水平為10E/Hz1/2。

3 結(jié)論與展望

本文全面地分析了地球物理領(lǐng)域?qū)Ω呔葢T性傳感器的應(yīng)用需求,總結(jié)了高精度MEMS慣性傳感器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。目前,在地球物理領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用的主要是MEMS地震檢波器,其主要被應(yīng)用于地震法油氣資源勘探和地震烈度速報(bào)等領(lǐng)域,且在國(guó)外已經(jīng)有不少成熟的產(chǎn)品。MEMS角加速計(jì)和MEMS相對(duì)重力儀的研發(fā)也不斷得到資源開采和能源服務(wù)公司的資金支持,正在朝著實(shí)用化的方向邁進(jìn)。MEMS重力梯度儀由于對(duì)精度要求更高、技術(shù)難度更大,短期內(nèi)還難以獲得應(yīng)用,目前主要處于預(yù)研階段。高精度MEMS慣性傳感器因?yàn)镸EMS技術(shù)自身的低成本、小型化、高集成、低功耗和抗高過(guò)載等特點(diǎn),可以滿足一些地球物理領(lǐng)域特定的需求(如深海、深山、深井等極端條件下的應(yīng)用),以及由于體積/質(zhì)量/能耗限制,使得傳統(tǒng)地球物理儀器無(wú)法企及的應(yīng)用需求。因此,MEMS高精度慣性傳感器在地球物理領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用前景。