Mems地震检波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种MEMS地震检波器，其包括设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥，其中，MEMS机芯包括固定在保护壳内的机芯壳、设置在机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的多个MEMS加速度计；上述支撑架为长方体状；上述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于支撑架上相邻的三个侧面上，且Z加速度计所处的侧面为支撑架上朝向上盖的顶面；上述尾锥设置在螺杆上，螺杆穿过保护壳的底板并与机芯壳相抵。该MEMS地震检波器中避免了使用具有固有频率的线圈，可记录的动态范围大，响应频带宽、分辨率高，利于探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。
【专利说明】MEMS地震检波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及地震勘探设备【技术领域】，更具体地说，涉及一种MEMS地震检波器。
【背景技术】
[0002]地震勘探是利用仪器检测、记录人工激发地震的反射波、折射波的传播时间、振幅、波形等，从而分析判断地层界面、地层性质、地质构造的一种地球物理勘探方法，其是目前勘探陆地和海洋中石油和天然气等资源的主要手段。
[0003]目前，石油和天然气勘探领域中常用的地震勘探设备为活动线圈速度检波器，其使将活动的线圈固定在与磁铁同轴的弹簧上，通过外部震动使弹簧和线圈相对于磁铁产生移动而由线圈产生感应电动势。但是，上述活动线圈速度检波器中，由于弹簧具有固有频率，导致整个活动线圈速度型检波器可记录的最大动态范围约为60dB，接收信号的畸变大，响应频带窄、分辨率差，不足以探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。
[0004]另外，上述活动线圈速度检波器还具有灵敏度低，难以采集到深层微弱信号的缺陷，严重影响地震勘探的有效性。再者，上述活动线圈速度检波器中，线圈亦受噪音影响而产生振动，抗干扰能力弱，勘测时需要几个至几十个检波器组合才能降低噪音干扰对测试结果的影响，造成勘测成本高。
[0005]综上所述，如何提供一种动态记录范围大、接收信号畸变小和响应频带宽、分辨率高的地震检波器，以使其能够探测由人工震源产生的全部宽频弹性波，满足石油或天然气勘探要求是本领域技术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供一种MEMS地震检波器，其采用MEMS加速度计检测地震波的震动，避免了使用固有频率的线圈，可记录的动态响应范围大，响应频带宽、分辨率高，利于探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。
[0007]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0008]一种MEMS地震检波器，包括:设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥；
[0009]其中，所述MEMS机芯包括固定在所述保护壳内的机芯壳、设置在所述机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的MEMS加速度计；所述支撑架为长方体；所述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于所述支撑架上相邻的三个侧面上，且所述Z加速度计所处的侧面为所述支撑架上朝向所述上盖的侧面；所述尾锥设置在螺杆上；所述螺杆穿过所述保护壳的底板，并与所述机芯壳相抵。
[0010]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述上盖通过固定件固定在所述保护壳上，且两者之间设有密封件。
[0011]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述上盖和所述保护壳上分别设有密封槽，所述密封件插在所述上盖和所述保护壳的密封槽内。[0012]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述保护壳的底板上固定有贴紧所述机芯壳的导电垫，所述导电垫圈在所述螺杆外周；所述机芯壳为铁机芯壳或坡莫合金机芯壳；所述导电垫为铁导电垫、铝导电垫、铁合金导电垫或铝合金导电垫，所述尾锥为铁尾锥、铝尾锥、铁合金尾椎或铝合金尾椎，所述螺杆为铁螺杆、铝螺杆、铁合金螺杆或铝合金螺杆。
[0013]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述导电垫、所述保护壳和所述螺杆一次塑化成整体。
[0014]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述上盖上嵌装有水平仪和指南针，且所述上盖上固定有贴覆在所述水平仪和所述指南针外的透明玻璃板。
[0015]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述尾锥的为四棱锥状，且侧面为凹向所述尾锥的中心轴的弧形面。
[0016]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述保护壳和所述上盖上分别设有反光涂料层。
[0017]优选的，上述MEMS地震检波器中，所述保护壳上设有提拉孔；所述保护壳外部设有周向凹槽，所述周向凹槽位于所述保护壳下部，且所述周向凹槽内设有橡胶圈。
[0018]本发明提供一种MEMS地震检波器，其包括设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥，其中，MEMS机芯包括固定在保护壳内的机芯壳、设置在机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的多个MEMS加速度计；上述支撑架为长方体状；上述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于支撑架上相邻的三个侧面上，且Z加速度计所处的侧面为支撑架上朝向上盖的顶面；上述尾锥设置在螺杆上，螺杆穿过保护壳的底板并与机芯壳相抵。
[0019]应用上述MEMS地震检波器时，尾锥插入地面，地震波通过尾锥以及与尾锥相连的螺杆到达MEMS机芯处，MEMS加速度计内的微小质量块在地震波的带动下发生微移动，从而使得MEMS加速度计的电容变化，电容变化信号依次经过积分器、差分电容检测、一位量化，一方面，量化信号经过静电力负反馈，使质量块保持平衡位置，另一方面，量化信号经数字滤波、DAC转换后以直流电压方式输出，从而完成对地震波的检测。
[0020]本发明提供的MEMS地震检波器中，地震波传导至MEMS机芯处带动MEMS加速度计的微小质量块移动即可完成地震波的检测，相比于现有的地震检波器，其采用了 MEMS技术和闭环负反馈技术，提高了动态记录范围，确保接收信号的线性度高、响应频带宽、分辨率高，能够用于探测由人工震源产生的全部频带弹性波。具体的，本发明的MEMS地震检波器中，其动态记录范围可达120dB以上，±3g全量程，频率响应范围是0Hz-1500Hz，分辨率达
到 30ng/ yfHz _50ng/ 。
[0021]另外，本发明提供的MEMS地震检波器中，MEMS加速度计的本底噪声低，感受微小地震波即可发生位移，灵敏度高、利于有效采集深层微弱地震波信号，提高地震勘探结果的有效性，具体的本发明提供的MEMS地震检波器对低频信号(特别是小于6Hz的信号)具有良好的接收能力。
[0022]再者，本发明提供的MEMS地震检波器中，使用了减震圈，减弱了风吹草动等环境噪声对尾椎接收信号的影响；同时，本发明提供的MEMS地震检波器中，尾椎、螺杆、导电垫和机芯壳构成电磁屏蔽系统，减小甚至屏蔽了电磁干扰的影响。综上，本发明提供的地震检波器的抗干扰能力强，避免了使用过多的检波器组合，节省了施工成本。【专利附图】
【附图说明】
[0023]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本发明实施例提供的MEMS地震检波器的主视结构示意图；
[0025]图2为本发明实施例提供的MEMS地震检波器的侧视结构示意图；
[0026]图3为本发明实施例提供的支撑架与MEMS加速度计的装配图；
[0027]图4为本发明实施例提供的上盖与线路转接板14的装配图；
[0028]图5为本发明实施例提供的上盖的俯视结构示意图；
[0029]图6为本发明实施例提供的尾椎的截面图；
[0030]图7a为本发明实施例提供的MEMS机芯的第一部分电源电路图；
[0031]图7b为本发明实施例提供的MEMS机芯的第二部分电源电路图；
[0032]图7c为本发明实施例提供的MEMS机芯的第三部分电源电路图；
[0033]图7d为本发明实施例提供的MEMS机芯的第四部分电源电路图；
[0034]图8为本发明实施例提供的X加速度计的电路图；
[0035]图9为本发明实施例提供的Y加速度计的电路图；
[0036]图10为本发明实施例提供的Z加速度计的电路图；
[0037]其中，上图1-10中:
[0038]上盖10，水平仪11，透明玻璃板12，指南针13，线路转接板14，电源线插头15，信号线插头16，装配孔17，螺丝18，密封件20，导线21，接线插头22，MEMS机芯30，机芯壳31，电源线插座32，信号线插座33，支撑架301，X加速度计302，Y加速度计303，Z加速度计304，保护壳40，塑料圈41，减震圈42，导电垫43，螺杆44，提手45孔，尾锥50，六方柱型螺母51。
【具体实施方式】
[0039]本发明实施例公开了一种MEMS地震检波器，其采用MEMS加速度计检测地震波的震动，避免了使用固有频率的线圈，可记录的信号动态范围大，响应频带宽、分辨率高，能够探测由人工震源产生的全部宽频带弹性波。
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]请参阅图1-图 10,本发明实施例提供的 MEMS (MEMS, Micro-Electro-MechanicSystem,微电机系统)地震检波器包括设有上盖10的保护壳40、设置在保护壳40内的MEMS机芯30和设置在保护壳40外的尾锥50 ;其中，MEMS机芯30包括固定在保护壳40内的机芯壳31、设置在机芯壳31内的支撑架301和设置在支撑架301上的MEMS加速度计；上述支撑架301为长方体状，MEMS加速度计为电容式加速度计，且MEMS加速度计个数为多个，具体包括X加速度计302、Y加速度计303和Z加速度计304，三者分别立设于支撑架301上相邻的三个侧面上，且Z加速度计304位于支撑架301上朝向上盖10的侧面处；上述三个相邻的侧面是指围成长方体形支撑架301的一个角的三个侧面；上述尾锥50设置在螺杆44，螺杆44穿过保护壳40的底板，并与机芯壳31相抵。上述保护壳40包括矩形筒状的侧壁和封堵在侧壁一端的底板，侧壁的另一端由上盖10封堵。
[0042]应用上述MEMS地震检波器时，尾锥50插在大地上，地震波通过尾锥50以及与尾锥50相连的螺杆44到达MEMS机芯30处，随后，MEMS加速度计内的微小质量块在地震波的带动下因惯性力发生微移动，从而使得MEMS加速度计的电容变化，电容变化信号经C/V (电容/电压)转换后获得电压信号，电压信号经采样保持、一位量化形成量化信号，一方面，量化信号反馈到电容极板，形成负反馈，使质量块保持平衡位置，另一方面，量化后的信号经DAC (Digitalto analog converter,数字模拟转化)和滤波等信号调理后以直流电压方式输出，进而完成对地震波的检测。
[0043]相比于现有的地震检波器，本发明提供的MEMS地震检波器避免了使用具有固有频率的弹簧，提高了动态记录范围，能够确保接收信号的畸变小、响应频带宽、分辨率高，利于探测由人工震源产生的全部频带弹性波。具体的，本发明实施例提供的MEMS地震检波器的动态记录范围可达120dB以上，±3g全量程，频率响应范围是0Hz-1500Hz，同时，本实施
例提供的MEMS地震检波器的分辨率达到
【权利要求】
1.一种MEMS地震检波器，其特征在于，包括:设有上盖的保护壳、设置在保护壳内的MEMS机芯和设置在保护壳外的尾锥； 其中，所述MEMS机芯包括固定在所述保护壳内的机芯壳、设置在所述机芯壳内的支撑架和设置在支撑架上的MEMS加速度计；所述支撑架为长方体；所述MEMS加速度计为电容式加速度计，包括X加速度计、Y加速度计和Z加速度计，三者分别立设于所述支撑架上相邻的三个侧面上，且所述Z加速度计所处的侧面为所述支撑架上朝向所述上盖的侧面；所述尾锥设置在螺杆上；所述螺杆穿过所述保护壳的底板，并与所述机芯壳相抵。
2.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述上盖通过固定件固定在所述保护壳上，且两者之间设有密封件。
3.根据权利要求2所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述上盖和所述保护壳上分别设有密封槽，所述密封件插在所述上盖和所述保护壳的密封槽内。
4.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述保护壳的底板上固定有贴紧所述机芯壳的导电垫，所述导电垫圈在所述螺杆外周；所述机芯壳为铁机芯壳或坡莫合金机芯壳；所述导电垫为铁导电垫、铝导电垫、铁合金导电垫或铝合金导电垫，所述尾锥为铁尾锥、铝尾锥、铁合金尾椎或铝合金尾椎，所述螺杆为铁螺杆、铝螺杆、铁合金螺杆或铝合金螺杆。
5.根据权利要求4所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述导电垫、所述保护壳和所述螺杆一次塑化成整体。
6.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述上盖上嵌装有水平仪和指南针，且所述上盖上固定有贴覆在所述水平仪和所述指南针外的透明玻璃板。
7.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述尾锥的为四棱锥状，且侧面为凹向所述尾锥的中心轴的弧形面。
8.根据权利要求1所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述保护壳和所述上盖上分别设有反光涂料层。
9.根据权利要求8所述的MEMS地震检波器，其特征在于，所述保护壳上设有提拉孔；所述保护壳外部设有周向凹槽，所述周向凹槽位于所述保护壳下部，且所述周向凹槽内设有橡胶圈。
【文档编号】G01V1/18GK103792568SQ201410053313
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月17日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】麻三怀, 杨长春, 俞度立, 冯方方 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所