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MEMS工藝制作的用于測量運(yùn)動物體加速度、角速度和角加速度的傳感器。對應(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量單元(MIMU)等[3]。其中,文獻(xiàn)[4]已經(jīng)對MEMS陀螺儀進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,本文不再對其進(jìn)行詳細(xì)闡述。

由于在體積、質(zhì)量、成本等方面的優(yōu)勢,MEMS慣性傳感器得到了迅速發(fā)展,特別是在中低端市場,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、橋梁振動監(jiān)測等工業(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)域及所對應(yīng)的加速度測量動態(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)境下的軌道擾動加速度的測量等空間技術(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)的報道[5]。

近10年來,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)域未來可能的發(fā)展趨勢。

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

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)引起地面震動的現(xiàn)象。使用地震監(jiān)測儀器來監(jiān)測震源位置、地震深度、震級和烈度來實(shí)時監(jiān)測地震的發(fā)生,可以了解掌握地質(zhì)災(zāi)害的演變過程,降低自然災(zāi)害損失。當(dāng)震源深度較大時,可以通過監(jiān)測傳輸速度更快的地震P波,并利用短暫的時間差,預(yù)警滯后于P波、破壞性更強(qiáng)的S波和面波的到來,從而在一定程度上減少地震人員傷亡數(shù)量。

自我國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單個地震檢波器實(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,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。收到的地震波信號與震源特性、檢波點(diǎn)的位置、地震波經(jīng)過的地下巖層的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過對地震波記錄進(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。勘探作業(yè)通常采用大量地震檢波器分布式組網(wǎng),因此對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 鉆探過程監(jiān)測

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

軸向振動和橫向振動可以通過加速度計(jì)進(jìn)行測量,相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。扭轉(zhuǎn)振動可以通過角加速度計(jì)進(jìn)行測量,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低頻信號的響應(yīng)。但是,對于大規(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)量越大則萬有引力越大,因此各局部區(qū)域的萬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。測量不同位置的重力加速度,通過重力反演方法,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)重力加速度的測量方式的不同,重力儀分為絕對重力儀和相對重力儀兩種。絕對重力儀通過測量物體自由下落的距離和時間,精確地測量該處的重力加速度,典型的商用絕對重力儀包括FG5、A10、AQG等。相對重力儀通過測量彈簧在不同重力作用下伸長量的變化來測量該處的重力加速度,典型的商用相對重力儀包括Scintrex CG-6、 GWR iGrav、 g-Phone等。

重力加速度為重力勢的一階導(dǎo)數(shù),而重力加速度相對于空間位置的梯度被稱為重力梯度,即重力勢的二階導(dǎo)數(shù)。重力梯度為張量,與重力測量相比,具有更高的空間分辨率,能夠反映場源體的細(xì)節(jié),具有廣泛的應(yīng)用前景。測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、火山活動監(jiān)測

因地球質(zhì)量分布不均,重力加速度隨空間的分布會存在差異,而同一位置的重力加速度也會隨時間發(fā)生變化。在日、月和系內(nèi)行星等引力的作用下,江、河、湖、海會出現(xiàn)潮汐現(xiàn)象,而固體地球也會產(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,對地球固體潮的觀測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)時會產(chǎn)生大量火山灰、熔巖流等,會對人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生毀滅性影響。在火山周圍采取重力測量手段,監(jiān)測火山爆發(fā)前夕的巖漿噴出,可對火山噴發(fā)進(jìn)行預(yù)警。

固體潮與火山活動都會在固定位置產(chǎn)生重力加速度隨時間變化的現(xiàn)象。利用絕對重力儀或相對重力儀對當(dāng)?shù)剡M(jìn)行時變重力場長期監(jiān)測,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。固體潮等重力時變信號的頻率約為10-5Hz甚至更低,因而對相對重力儀的長期穩(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)時測量區(qū)域重力場特征,并與已知的地球重力場數(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)航主要用于對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隨時間累積的誤差進(jìn)行校正。匹配有慣性導(dǎo)航和重力輔助導(dǎo)航的無源導(dǎo)航系統(tǒng)具有精度高、不受時間限制、無需浮出水面、無輻射等優(yōu)點(diǎn),可最終解決潛艇的長期隱蔽性問題,實(shí)現(xiàn)真正的無源自主導(dǎo)航。

重力輔助導(dǎo)航需要重力場數(shù)據(jù)圖、高精度重力實(shí)時測量儀器和重力場匹配軟件,三要素缺一不可。據(jù)報道,美國海軍已經(jīng)具備采用重力儀和重力梯度儀進(jìn)行水下長航時重力輔助導(dǎo)航的能力。高精度的重力實(shí)時測量儀器是目前我國重力輔助導(dǎo)航技術(shù)的瓶頸,而作為重力測量的核心單元,高精度的加速度傳感器是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

2 國內(nèi)外研究情況

隨著MEMS技術(shù)發(fā)展的日趨成熟,越來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,主要包括MEMS地震檢波器、MEMS角加速度計(jì)、MEMS相對重力儀和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的可用于微震測量的MEMS微震儀。現(xiàn)有的國內(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,并與電路通過混合封裝的方式,形成多芯片模塊并安裝在PCB板上。整個器件的尺寸約為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個正交安裝的單軸力平衡MEMS加速度計(jì)組合而成,其線性動態(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)最新報道[12],該器件已經(jīng)在自制隔振平臺上實(shí)現(xiàn)了最低噪聲水平12ng/Hz1/2,其水平軸器件的動態(tài)范圍為133dB,低頻響應(yīng)最低為0.001Hz。

美國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。

由英國帝國理工學(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、1200g沖擊過載,并通過了長時間輻照測試。NASA洞察號火星登陸器已于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)探測的研究任務(wù)。

華中科技大學(xué)引力中心對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,并通過杠桿放大傳遞到音叉諧振器上,使一端的音叉振動頻率增大,另一端的振動頻率減小,從而實(shí)現(xiàn)頻率差分測量。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)生振動時,電解液在電極附近形成對流,引起離子濃度的變化,從而產(chǎn)生電流輸出。目前,美國亞利桑那州州立大學(xué)、中國科學(xué)院電子學(xué)研究所和PMD Scientific公司都展開了針對電化學(xué)式MEMS地震加速度計(jì)的相關(guān)研究。中國科學(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相對重力儀

英國格拉斯哥大學(xué)引力波探測課題組于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相對重力儀原理樣機(jī)。該重力儀樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室的mK級主動溫控環(huán)境下,測量到了與理論模型較符合的地球固體潮汐信號。

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

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)報道。

帝國理工學(xué)院也報道了一款基于MEMS角加速度計(jì)的重力梯度儀。2個背靠背正交放置的MEMS角加速度計(jì)可以共模輸出角加速度信號,差模輸出重力梯度信號。單個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等領(lǐng)域,且在國外已經(jīng)有不少成熟的產(chǎn)品。MEMS角加速計(jì)和MEMS相對重力儀的研發(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。