用于地震应用的mems基旋转传感器及具有其的传感器单元的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]地震勘探包括对地下地质结构进行碳氢沉积物勘测。地震勘测通常包括在预定位置处部署震源和地震传感器。震源产生地震波，地震波沿着它们的路径传播到地质结构中产生压力变化和振动。地质结构的弹性特性的变化散射地震波，改变其传播方向及其它性质。由震源发射的部分能量到达地震传感器。某些地震传感器对压力变化敏感(水听器)，其它的对粒子运动敏感(例如，地震检波器)，并且工业勘测可以仅部署一种类型的传感器或两种。响应于所检测的地震事件，传感器生成电信号以产生地震数据。然后，地震数据的分析可以指示碳氢沉积物的可能位置的存在或不存在。
[0002]历史上，通过将地震源和传感器沿一条直线放置，已经实现了沿一个表面的地震数据采集。在这种结构中，假设地中的反射点位于由横向线与垂直轴线定义的一个二维平面中。这通常被称为二维地震勘测。然而，三维地震勘测通常是优选的，以便获得更好的信号质量，以及提高空间和时间分辨率。三维勘测的一个缺点是需要大量的传感器，这需要大量的部署人员。这导致成本的增加和效率的降低。因此，期望提供改进的地震传感器，以允许稀疏采样并且进而少量的传感器部署，而不影响数据质量。
【发明内容】
[0003]本发明涉及一种用于地震数据采集中的MEMS基旋转传感器及具有其的传感器单元。用于陆地地震数据采集的传感器单元包括用于测量垂直波场的粒子运动传感器，其中，该垂直波场具有水平梯度。该传感器单元进一步包括用于测量该水平梯度的X分量的第一MEMS基旋转加速度计以及正交于该第一 MEMS基旋转加速度计定位的第二 MEMS基旋转加速度计。该第二 MEMS基旋转加速度计测量该水平梯度的y分量。该第一和第二 MEMS基旋转加速度计中的至少之一包括基板、设于基板上的锚以及通过多个挠性弹簧联接于该锚的检测质量。该检测质量具有联接到其并从其延伸的第一电极。第二电极被固定到基板上，并且第一和第二电极中的一个被配置成接收致动信号，第一和第二电极中的另一个被配置为产生具有与第一电极相对于第二电极的角运动程度相对应的幅值的电信号。MEMS基旋转传感器进一步包括被配置为接收该电信号并提供所述致动信号的闭环电路。
[0004]描述了一种地震数据采集系统，其具有用于产生地震波的一个或多个地震源以及用于记录由所述地震源产生的地震波的一个或多个传感器单元。所述一个或多个传感器单元包括用于测量所述地震波的垂直波场的第一地震传感器以及用于测量所述垂直波场的梯度的第二地震传感器。
[0005]还描述了一种用于执行地震数据采集的方法。该方法包括利用一个或多个地震源产生地震波，并且利用一个或多个传感器单元记录由所述地震源产生的地震波。所述一个或多个传感器单元包括用于测量所述地震波的垂直波场的第一地震传感器以及用于测量所述垂直波场的梯度的第二地震传感器。
【附图说明】
[0006]现在参考与附图结合的以下描述。
[0007]图1示出了根据本发明的MEMS基旋转传感器的示意图；
[0008]图2示出了图1的MEMS基旋转传感器的旋转；
[0009]图3示出了根据本发明的另一个实施例的MEMS基旋转传感器的示意图；
[0010]图4示出了根据本发明的MEMS基旋转传感器的控制环的流程图；
[0011]图5示出了根据本发明的MEMS基旋转传感器的示意图；
[0012]图6示出了根据本发明的MEMS基旋转传感器的示意图；
[0013]图7示出了奈奎斯特采样的示意图；
[0014]图8示出了帕普里斯采样的示意图；
[0015]图9示出了包含根据本发明的MEMS基旋转传感器的陆基地震数据采集系统的示意图；
[0016]图10示出了包含根据本发明的MEMS基旋转传感器的传感器单元的示意图；以及
[0017]图11示出了包含根据本发明的MEMS基旋转传感器的海基地震数据采集系统。
【具体实施方式】
[0018]描述了根据本发明的MEMS基旋转传感器及使用这样的MEMS基旋转传感器的方法的多个实施例。然而，应该理解，下面的说明仅是示例性地说明本发明的装置及方法。因此，许多修改、变化及替换是预期的。
[0019]图1示意地示出了根据本发明的一个实施例的电容性微机电系统(MEMS)基的旋转传感器10的机械结构。因为它的尺寸、低功耗和低成本，因此传感器10的MEMS基设计是有利的。MEMS基旋转传感器10包括:经由多个挠性弹簧16联接到地震质量14的中心锚12。在一些实施例中，中心锚12的半径为大约300微米，而地震质量14的宽度为大约300微米。当然，其他实施例可以设想为，中心锚12和地震质量14具有其它尺寸。锚12联接到外部环境从而承受角加速度，这会导致地震质量14由于惯性的影响而旋转。挠性弹簧16能够弯曲，从而允许地震质量14绕锚12旋转。
[0020]参考图2，MEMS基旋转传感器10包括一对梁状电极18、20，它们被布置在传感器的相反侧。在一些实施例中，这样的电极18、20的长度为550微米，宽度为5微米。当然，其他实施例可以设想为，梁状电极18、20具有其它尺寸。该对电极18、20协作以检测由MEMS基旋转传感器的角位移导致的差分电容。在图2的例子中，电极18由于地震质量14的角位移而从其原始位置22移位。电极20也由于地震质量14的角位移而从它的原始位置24在相反的方向(相对于电极18的位移)上移位。因此，电极18增加一个量ε的电容，而电极20减小相同量ε的电容。两个电极18、20的电容差给出了电容变化量ε，这与地震质量14的旋转有关。地震质量14的角位移从而利用这种差分电容器检测器转换为电信号。应该理解，电极18和20各自的电容变化也可以是不同的量，可以根据线性函数变化，也可以根据非线性函数变化。
[0021 ] 参考图3，根据本发明的另一实施例的MEMS基旋转传感器30被示为包括滑动梳状电极32、34，它们用于探测由地震质量36的旋转产生的差分电容。在一些实施例中，所述滑动梳状电极32、34的梳齿长度为20微米，梳齿宽度为3微米，梳长度为420微米，梳宽度为50微米。当然，可以考虑其它尺寸。MEMS基旋转传感器30还包括中心锚38和挠性弹簧39，该挠性弹簧将地震质量36联接到中心锚。梳状电极32、34产生机电动作以在差分电容检测的同一时间平衡地震角位移。MEMS基旋转传感器30的电容变化产生一个电流，该电流经过电荷放大器以获得输出电压。此时，获得了开环读出，其中，输出电压正比于由MEMS基旋转传感器30测得的输入角加速度。
[0022]本文描述的MEMS基旋转传感器可以与反馈控制回路结构使用，该结构线性化相对于控制电压的力函数，从而提高动态性能。这可以通过模拟控制、数字控制、或它们的组合实现。致动信号，例如方波、三角波、正弦波、或其它波形可以施加到一个或多个电极(例如，电极32、34)。响应于所述致动信号，一个或多个电极(例如，电极32、34)可以产生具有对应于角加速度的特性(如幅值)的电信号。也可以在没有致动信号的情况下，产生对应于角加速度的电信号。参考图4，反馈控制回路结构40可包括一个Σ-Λ调制器42，其接收对应于角加速度的电信号，并且可以用于将测量信号转换成一个比特流电压输出。在施加粗糙量化过程50之前，输出电压可以通过一个积分器44，电荷放大器46以及一个比例-积分-微分(PID)控制器48。模拟信号可被转换成一个比特流序列。所述比特流然后可被发送到一个力反馈发生器52，其可以向MEMS基旋转传感器的电极(例如，电极32)提供所述致动信号，以创建正比于比特流平均值的静电力。这可以通过向其施加静电力而物理衰减地震质量14(例如，检测质量)的振荡。这可以通过保持电压电平恒定并通过脉冲密度控制或其他控制算法调制所述平均力来实现。这种过程利用基于Σ-Λ调制的原则，例如模拟信号的过采样，模拟信号(其中比特流平均值是输入信号的量度)的比特流转换和过采样，以使量化噪声分布于一个宽的带宽上。应该理解，电极可以布置成使得第一组电极接收所述致动信号而第二组电极产生对应于角加速度的电信号。第一组和第二组可能或可能不重叠。一些电极，或全部电极，可接收激活信号并且也产生对应于角加速度的电信号。
[0023]本发明考虑到了电极如何绕地震质量分布的几种变型。例如，参考图5，MEMS基旋转传感器60包括绕中心销64布置的地震质量62。地震质量62通过多个烧性弹簧66联接到锚64。在一个实施例中，所述MEMS