MEMS模拟检波器机芯

摘要

本发明涉及一种MEMS模拟加速度检波器的机芯，该MEMS模拟检波器机芯包括信号转换器、阻抗转换器以及微机械震动系统；信号转换器通过阻抗转换器接入微机械震动系统。本发明提供了一种MEMS模拟检波器机芯，解决了阻尼源与惯性体相分离，无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性，以及产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保的技术问题。

权利要求

1.一种MEMS模拟检波器机芯，其特征在于：所述MEMS模拟检波器机芯包括信号转换器、阻抗转换器以及微机械震动系统；所述信号转换器通过阻抗转换器接入微机械震动系统；所述微机械震动系统包括电容转换单元以及微机械震动单元；所述电容转换单元套接在微机械震动单元上；所述阻抗转换器电性接入电容转换单元；所述微机械震动单元包括上固定体、下固定体以及弹性振体；所述上固定体开设有开口向下的下凹槽，所述下固定体开设有开口向上的上凹槽，所述上固定体、弹性振体以及下固定体自上而下依次固定在一起；所述电容转换单元包括惯性体以及与惯性体相连的电容极板；所述惯性体套接在弹性振体上；所述惯性体以及电容极板共同设置于上固定体的下凹槽与下固定体的上凹槽所形成的空腔中。

2.根据权利要求1所述的MEMS模拟检波器机芯，其特征在于：所述电容极板包括第一电容极板以及第二电容极板；所述第一电容极板包括第一电容上极板以及第一电容下极板；所述第一电容上极板设置于上固定体所开设的下凹槽中，所述第一电容下极板设置于与下凹槽相对的弹性振体上；所述第二电容极板包括第二电容上极板以及第二电容下极板，所述第二电容下极板设置于下固定体所开设的上凹槽中，所述第二电容上极板设置于与上凹槽相对的弹性振体上。

3.根据权利要求2所述的MEMS模拟检波器机芯，其特征在于：所述微机械震动单元还包括惯性体限位柱、弹性振体固定体以及极板附着体；所述惯性体限位柱设置于下凹槽中以及上凹槽中并用于对惯性体进行位置限定；所述弹性振体固定体设置于上固定体和下固定体之间，所述弹性振体伸入弹性振体固定体中，所述上固定体、弹性振体固定体以及下固定体自上而下固定连接；所述极板附着体分别设置于下凹槽以及上凹槽中；所述第一电容上极板以及第二电容下极板分别设置在极板附着体上。

4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的MEMS模拟检波器机芯，其特征在于：所述微机械震动系统是一组或多组。

5.根据权利要求4所述的MEMS模拟检波器机芯，其特征在于：所述微机械震动系统是两组。

6.根据权利要求5所述的MEMS模拟检波器机芯，其特征在于：所述电容极板是pF级的。

说明书

MEMS模拟检波器机芯

技术领域

[0001] 本发明属地质勘探领域，涉及一种地震勘探用检波器，尤其涉及一种MEMS模拟加速度检波器的机芯。

背景技术

[0002] 地质勘探地震波信号中含高低频分量，其中低频分量较丰富。信号在地层内传播的过程中，高频分量的能量损失较快，传播愈远，损失比例愈大。高频信号越弱，对勘探地层分辨率越不利。目前，地质物探技术已发展至高分辨勘探，高分辨勘探的瓶颈主要是对于深层、薄层高频弱信号的采集，采集的源头即是检波器。物探行业使用的检波器主要分为速度型检波器和加速度型检波器两类。速度型检波器对高低频分量的接受能力相同，对衰减严重的高频分量不易接受。加速度型检波器对高低频信号均有良好的接受能力，尤其对衰减严重的高频信号的接受更具优势。加速度型检波器，能提高高分辨率勘探效果，能更快、更准确地反映探测层的地层结构，实现地下深层、浅层、薄层的高分辨率勘测。

[0003] 现有的加速度型检波器主要有下列两类：

[0004] 一类是电磁感应式涡流加速度检波器。如，专利号是87105424以及95245142.5等，该类加速度检波器是通过磁电涡流的二次感应形成加速度信号输出，结构受弹性元件和质量块尺寸、重量等因素的限制，使自然频率不能太小，工作频率范围受限，无法消除谐波失真，因此，加速度灵敏度难以提高。

[0005] 另一类是采用惯性式加速度传感器响应原理的加速度检波器。该类加速度检波器有采用微机械加速度传感器MEMS(Microelectro-mechanical Systems)的电容式微机械加速度传感器，如，美国I/O公司的MEMS的微机械加速度传感器(VectorSeis SVSM Module Digital Sensor)和中国专利03216512.9等；有采用光电及光纤的加速度检波器，如，专利号03100433.4、03200396.X以及03236644.2等；还有压电式加速度检波器，如，西安石油大学研制的YD2000型陆用压电地震加速度检波器；专利号93232320.0以及00226749.7等。这类加速度检波器的质量块的相对位移与被测振动的加速度成正比，因而可用质量块的位移来反映被测振动的加速度大小；其最大优点是它具有零频率持性，即理论上它的下限测量频率为零，实际下限测量频率也极低。此外，为使谐振频率远大于被测振动频率，加速度检波器的尺寸、惯性体质量可设计的很小，一般可小于1g，故对被测对象的附加影响非常小。但该类加速度检波器采用的是传统的无阻尼元件的机械结构，元件内部的阻尼很小，一般ξ＜0.04，加速度传感器幅频特性的表达式如下：

[0006]

[0007] 其中：A(ω)-加速度振幅；Zm-输出位移；Xm-被测振动的位移量；ω-频率；ωn-自然频率(压电传感器ωn＞ω)；ξ-阻尼。

[0008] 依据上述惯性式加速度传感器幅频特性的数学模型可视为无阻尼系统。在实际的地质地震物探施工中，检波器置于地表与大地耦合，使阻尼很小或无阻尼。高振幅输出信号的加速度检波器，会采集到大量的俗称“尾巴”的初始余震干扰信号。实践中，要弥补这种阻尼的不足，要求施工使用的检波器必须提供一定的阻尼，使检波器输出的初始波形的余震即“尾巴”尽可能小，以确保有效信号的真实采集。

[0009] 中国专利03250863.8公开了一种非磁感应式地震检波器，其是采用磁感应涡流阻尼的“光学地震检波器”，其磁场为可调式固定磁场，惯性体元件及弹性元件置于固定磁场之中。采用这种设计方案，信号采集与输出采用的是光学器件；阻尼源与惯性体相分离，不能融为一体。实际规模化生产时，产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保。光学信号远距离传输的成本相对较高。

[0010] 总之，满足高分辨率采集求时，为弥补系统阻尼的不足，加速度检波器的惯性体质量和阻尼是一对矛盾体。现有技术中，自身惯性体质量很小的压电检波器，由于其产生的弹性振动幅度相应较小，故一般采用空气阻尼；而采用较大惯性体质量的压电检波器，由于其产生的弹性振动幅度相应较大，一些对系统阻尼要求不高的产品，若允许对信号的分辨率要求不太高，采用空气阻尼时，即可允许子波的余波长些。要使波形的振幅大，惯性体的质量就必须增大；要使波形的余震即“尾巴”小，阻尼就必须足够大。现有技术无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性。

发明内容

[0011] 为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种MEMS模拟检波器机芯，解决了阻尼源与惯性体相分离，无法使惯性体的质量和阻尼同时具有较好的一致性，因而无法保证传感器所采集到的波形的一致性，以及产品工艺精度及产品性能的一致性不易确保的技术问题。

[0012] 本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种MEMS模拟检波器机芯，其特殊之处在于：所述MEMS模拟检波器机芯包括信号转换器、阻抗转换器以及微机械震动系统；所述信号转换器通过阻抗转换器接入微机械震动系统。

[0013] 上述微机械震动系统包括电容转换单元以及微机械震动单元；所述电容转换单元套接在微机械震动单元上；所述阻抗转换器电性接入电容转换单元。

[0014] 上述微机械震动单元包括上固定体、下固定体以及弹性振体；所述上固定体开设有开口向下的下凹槽，所述下固定体开设有开口向上的上凹槽，所述上固定体、弹性振体以及下固定体自上而下依次固定在一起；所述电容转换单元套接在弹性振体上并置于上固定体的下凹槽与下固定体的上凹槽所形成的空腔中。

[0015] 上述电容转换单元包括惯性体以及与惯性体相连的电容极板；所述惯性体套接在弹性振体上；所述惯性体以及电容极板共同设置于上固定体的下凹槽与下固定体的上凹槽所形成的空腔中。

[0016] 上述电容极板包括第一电容极板以及第二电容极板；所述第一电容极板包括第一电容上极板以及第一电容下极板；所述第一电容上极板设置于上固定体所开设的下凹槽中，所述第一电容下极板设置于与下凹槽相对的弹性振体上；所述第二电容极板包括第二电容上极板以及第二电容下极板，所述第二电容下极板设置于下固定体所开设的上凹槽中，所述第二电容上极板设置于与上凹槽相对的弹性振体上。

[0017] 上述微机械震动单元还包括惯性体限位柱、弹性振体固定体以及极板附着体；所述惯性体限位柱设置于下凹槽中以及上凹槽中并用于对惯性体进行位置限定；所述弹性振体固定体设置于上固定体和下固定体之间，所述弹性振体伸入弹性振体固定体中，所述上固定体、弹性振体固定体以及下固定体自上而下固定连接；所述极板附着体分别设置于下凹槽以及上凹槽中；所述第一电容上极板以及第二电容下极板分别设置在极板附着体上。

[0018] 上述微机械震动系统是一组或多组。

[0019] 上述微机械震动系统是两组。

[0020] 上述电容极板是pF级的。

[0021] 本发明具有以下优点：

[0022] 本发明提供了一种MEMS加速度检波器的机芯，基本结构包括惯性体、弹性振体、控制电路等，惯性体为整个震动系统的核心，是以惯性体为传媒介质，以介质位移变化(电容变化)为反馈，再以控制介质恒定位移的电压变化为输出。当外部振动迫使惯性体位移时，通过反馈位移变化量而调整的控制电压就迫使惯性体保持原位不动。由于位移变化量线性取决于外力变化量，而控制电压变化量线性取决于位移变化量，因此控制电压的变化曲线就实时跟踪外力变化曲线。由本发明构成的MEMS模拟检波器输出振幅高，抗初始波形的余震即“尾巴”的能力强，频带宽，动态范围大，几乎无失真，抗电磁、机械噪声能力强，并且能像常规检波器一样进行组串。具体而言，本发明具有以下优点：

[0023] 1、本发明对深层、薄层的高频弱信号具有很好的采集能力，同时又能兼顾低频信号，且具有足够的带宽，带宽为0～1500Hz。2、惯性体的质量和阻尼的一致性好，故传感器采集到的波形一致性即同相轴好；惯性体的质量稳定，采集到波形的一致性好；阻尼合理，波形的余震即“尾巴”符合勘探的要求。3、采用半导体腐蚀工艺技术，有利于输出高振幅信号；其形成的幅频、相频特性曲线良好，可近似达到零频率特性，自身灵敏度具有1.2V/g。4、半导体腐蚀工艺技术，可确保产品工作的稳定性和一致性，可满足批量化生产的要求。5、抗电磁场干扰能力强。将多个机芯同时置于一个封闭的金属壳内，使机芯能较好地防护外部的各种电磁场干扰，使采集信号的品质大大提高。6、抗机械干扰能力强。金属壳与护壳之间设置的减震材料，使机芯具有良好的抗机械干扰能力和较好的抗冲击能力，进一步提高了采集信号的品质。7、在本发明的输出端连接有阻抗转换器，可实现有效信号的远距离传输。8、本发明构成的MEMS模拟检波器具有和常规动圈式检波器一样的组串功能，解决了国外数字MEMS检波器只能单点采集、不能组串的缺点。

附图说明

[0024] 图1是本发明的结构示意图；

[0025] 其中：1-阻抗转换器，2-引线，3-第一极间电容C，4-上固定体，5-弹性振体，6-下固定体，7-第二极间电容C，8-第三极间电容C，9-第四极间电容C，10-外壳体，11-尾锥，12-弹性振体固定体，13-惯性体限位柱，14-上极板附着体，15-下极板附着体，16-惯性体，
17-电容下极板，18-电容上极板，19-电源，20-信号转换器，21-壳体上盖。

具体实施方式

[0026] 理想的检波器既对深层、薄层的高频弱信号有很好的采集能力，又能兼顾低频信号，且具有足够的带宽，一般为3～1500Hz。本发明即依此设计：惯性体的质量和阻尼的一致性好，可保证传感器所采集到波形的一致性即同相轴；惯性体的质量大，所采集波形的振幅大；阻尼足够大，所采集波形的余震即“尾巴”小。

[0027] 本发明简化的基本结构包括惯性体16、弹性振体5、电路部分等，而且惯性体16是整个装置的核心。其检测地震加速度信号的基本原理是：以惯性体为传媒介质，以介质位移变化(电容变化)为反馈，再以控制介质恒定位移的电压变化为输出。当外部振动迫使惯性体位移时，通过反馈位移变化量而调整的控制电压就迫使惯性体保持原位不动。由于位移变化量线性取决于外力变化量，而控制电压变化量线性取决于位移变化量，因此控制电压的变化曲线就实时跟踪外力变化曲线。惯性体16的上表层和下表层镀有金属导电物，在惯性体16相对的面上，也就是上极板附着体14，下极板附着体15上也镀有金属，这样就构成了四个可变电容器，组成了一套完整的微机械震动系统，加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器。当接收到沿工作轴向的地震信号时，可变电容的值被持续不停地采样测量，它们的比值随着惯性体试图移动而不停变化，同时负反馈循环回路改变控制电压的大小以产生使惯性体16位于中心不变所需的校正电压从而得到传感器的输出。

[0028] 参见图1，本发明提供了一种MEMS模拟检波器机芯，该MEMS模拟检波器机芯包括信号转换器20、阻抗转换器1以及微机械震动系统；信号转换器20通过阻抗转换器1接入微机械震动系统。

[0029] 微机械震动系统包括电容转换单元以及微机械震动单元；电容转换单元套接在微机械震动单元上；阻抗转换器1电性接入电容转换单元；微机械震动单元包括上固定体4、下固定体6以及弹性振体5；上固定体4开设有开口向下的下凹槽，下固定体6开设有开口向上的上凹槽，上固定体4、弹性振体5以及下固定体6自上而下依次固定在一起；电容转换单元套接在弹性振体5上并置于上固定体4的下凹槽与下固定体6的上凹槽所形成的空腔中。当然，为了使得固定效果更好，本发明还在此基础上增加了弹性振体固定体12，其设置于上固定体4和下固定体6之间，弹性振体5伸入弹性振体固定体12中，上固定体4、弹性振体固定体12以及下固定体16自上而下固定连接；

[0030] 电容转换单元包括惯性体16以及与惯性体16相连的电容极板；惯性体16套接在弹性振体5上；惯性体16以及电容极板共同设置于上固定体4的下凹槽与下固定体6的上凹槽所形成的空腔中。

[0031] 电容极板包括第一电容极板(也可是通过镀金属膜所形成的第一极间电极C3)以及第二电容极板(也可是通过镀金属膜所形成的第二极间电极C7)；第一电容极板包括第一电容上极板以及第一电容下极板；所述第一电容上极板设置于上固定体4所开设的下凹槽中，第一电容下极板设置于与下凹槽相对的弹性振体5上；第二电容极板包括第二电容上极板以及第二电容下极板，第二电容下极板设置于下固定体6所开设的上凹槽中，第二电容上极板设置于与上凹槽相对的弹性振体5上。

[0032] 微机械震动单元还包括惯性体限位柱13以及极板附着体14、15；惯性体限位柱13设置于下凹槽中以及上凹槽中并用于对惯性体5进行位置限定；极板附着体14、15分别设置于下凹槽以及上凹槽中；第一电容上极板以及第二电容下极板分别设置在极板附着体
14、15上。

[0033] 本发明所提供的机芯可以采用一组或多组微机械震动系统，当然采用两组的效果是最好的。

[0034] 本发明所提供的MEMS加速度检波器的机芯，采用惯性体构成微机械震动系统，加上相应的电路就可以成为电容式加速度传感器，直接输出模拟信号，用于构成可任意组串的MEMS模拟地震检波器。本发明包含微机械震动系统和内部电路两部分，微机械震动系统主要由惯性体16组成，电路部分位于上固定体4外侧，主要由阻抗转换器1、信号转换器20、电源19组成。

[0035] 惯性体16组件上表层和下表层镀有金属导电物或者直接就是电容极板。如果采用金属导电物，则在惯性体16相对面上，也就是上极板附着体14，下极板附着体15上也镀有金属导电物，这样就构成了四个可变电容器，即C1/C2、C3/C4的电容比式输出模式，解决了由于材料的温漂而带来的电容值的变化。弹性振体5与上固定体4，下固定体6三者固定连接为一体。

[0036] 惯性体限位柱13处于形成电容结构的上下金属极板之间，在外界强冲击下起到对微机械震动系统的保护作用。阻抗转换器1处于上固定体4上方与壳体上盖21之间，作用是为了野外接收提供功率输出。信号转换器20处于上固定体4上方与壳体上盖21之间，是将电容的变换量转化成电压信号。电源19选用高能锂电池，确保连续工作180天。

[0037] 电容转换单元由弹性振体5和分别固定于弹性振体5两面的镀金金属板极17、18构成或者直接就是两个金属电容极板，使用起来也更加方便。

[0038] 极间电容第一电容C3、第二电容C7、第三电容C8、第四电容C9，是pF级，静态下绝对相等，经过半导体腐蚀工艺制成，电容上、下极板18、17也是通过半导体腐蚀工艺制成，保证其一致性。惯性体16和弹性振体5依据阻尼和惯性体计算公式制作，通过半导体腐蚀工艺制成。

[0039] C1/C2、C3/C4的输出模式，解决了由于材料的温漂而带来得电容值的变化，满足宽温(-40℃～+85℃)使用要求。