面向地球物理应用的高精度MEMS惯性传感器

王 秋， 刘骅锋， 涂良成

(1.华中科技大学地球物理研究所，武汉430074；2.重力导航教育部重点实验室，武汉430074)

0 引言

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)是指可批量制作,集微机构、微传感器、微执行器、信号处理和控制电路等于一体的微型器件或机电系统,起源于集成电路(IC)技术。相对于传统传感器,MEMS传感器具有尺寸小、易于与电路集成、易于批量化生产、低成本等优点,在消费电子、生物医疗等领域已经获得了广泛的应用[1-2]。微惯性传感器是采用硅、石英、金属或其他半导体材料通过MEMS工艺制作的用于测量运动物体加速度、角速度和角加速度的传感器。对应地,MEMS惯性传感器包括MEMS加速度计、MEMS角速度传感器(陀螺仪)、MEMS角加速度传感器,以及它们的组合微惯性测量单元(MIMU)等[3]。其中,文献[4]已经对MEMS陀螺仪进行了详细的介绍,本文不再对其进行详细阐述。

由于在体积、质量、成本等方面的优势,MEMS惯性传感器得到了迅速发展,特别是在中低端市场,其已逐渐取代传统的惯性传感器并促进了新兴行业的飞速发展。低成本、低精度的MEMS加速度计在汽车电子和消费电子领域中的应用非常普遍,如从最早的安全气囊到车辆稳定性系统,从游戏手柄、手机应用到室内导航定位等。此外,MEMS加速度计还可用于医疗健康领域,机床、桥梁振动监测等工业领域,以及高g值的冲击波研究、弹道学领域等。图1描述了MEMS加速度计的不同应用领域及所对应的加速度测量动态范围、带宽要求。随着应用领域的不断拓展,以及MEMS惯性传感器性能的不断提高,更多细分的应用领域和市场逐步涌现,其中不乏高精度MEMS惯性传感器。高精度的MEMS惯性传感器可以满足中低精度惯性导航的军事领域的需求,以及微重力环境下的轨道扰动加速度的测量等空间技术领域的需求等,这些均在相关的综述文献中有较详细的报道[5]。

近10年来,高精度的MEMS惯性传感器在地球物理领域中的应用已经崭露头角,比如地震检波、资源勘探等。但是,地球物理领域对MEMS惯性传感器的具体应用需求还缺乏较为全面的、系统的调研分析和总结。因此,本文将针对地球物理领域对高精度MEMS惯性传感器的应用需求和目前的高精度惯性传感器的研究现状,展开全面、系统的分析,并提出该领域未来可能的发展趋势。

1 地球物理领域对惯性传感器的需求分析

1.1 地震监测

地震是地球内部介质在局部发生急剧的破裂而产生地震波,从而在一定范围内引起地面震动的现象。使用地震监测仪器来监测震源位置、地震深度、震级和烈度来实时监测地震的发生,可以了解掌握地质灾害的演变过程,降低自然灾害损失。当震源深度较大时,可以通过监测传输速度更快的地震P波,并利用短暂的时间差,预警滞后于P波、破坏性更强的S波和面波的到来,从而在一定程度上减少地震人员伤亡数量。

自我国古代张衡研制的用于指向地震方位的地震仪,至今地震仪已经发展得非常成熟。根据能够检测的地震幅度大小的不同,地震仪一般可分为微震仪和强震仪。微震仪的自噪声要求优于1ng/Hz1/2,常用的微震仪包括Guralp公司的CMG-3T和Nanometrics公司的Trillium 120等。目前,部分微震仪的仪器自噪声已经低于地球新低噪声模型(NLNM),如美国Kinemetrics公司的STS2.5微震仪。而强震仪一般只要求噪声优于1μg/Hz1/2,一些高精度力平衡加速度计已经可以满足需求。另外,在地震监测中,由于惯性加速度和重力加速度的等效性,大气或局部效应引起的倾斜不能通过单个地震检波器实现分离,因而需要使用角加速度传感器来确定倾斜角度,以减小微震仪受倾斜作用而导致的灵敏度变化。由于地震信号通常在0.0083Hz～50Hz频带范围内,因此,要求地震仪、角加速度传感器及其组合能够尽可能覆盖此范围。

1.2 地震法资源勘探

地震法勘探是在钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段,在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面,也得到了广泛应用。勘探原理为在地表以人工方法激发地震波,在向地下传播时,遇有介质性质不同的岩层分界面,地震波将发生反射与折射,进而在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释,可以推断地下岩层的性质和形态,从而推断石油、天然气资源的位置。勘探作业通常采用大量地震检波器分布式组网,因此对地震检波器的需求很大。地震加速度计作为一种典型的低成本地震检波仪器,具有很好的应用前景。

1.3 钻探过程监测

在进行石油和天然气钻探时,钻柱与井壁、钻头与岩石之间的相互作用会使钻柱受力变形从而产生复杂振动。钻具的振动主要有3种形式,分别为扭转振动、轴向振动和横向振动,而钻探过程中的振动通常为3种振动方式的耦合。对钻具振动状态进行实时监测可以帮助现场人员及时了解井下钻具的工作状况,预防钻具事故发生。

轴向振动和横向振动可以通过加速度计进行测量,相关技术已经非常成熟。扭转振动可以通过角加速度计进行测量,如Jewell ASB系列、Endevco 7302BM4型和Kistler 8838型角加速度计。虽然传统的角加速度计可以实现较低的基频,以获得更好的灵敏度及对低频信号的响应。但是,对于大规模部署,必须考虑成本和功效,而MEMS技术提供了仪器小型化和低成本的潜力。

1.4 重力法资源勘探

地球表面的重力由万有引力和所处位置的地球自转向心力组成。地球内部质量分布不均,质量越大则万有引力越大,因此各局部区域的万有引力的大小各不相同。由于高密度矿体、油气的密度与地球的平均密度相差悬殊,因此矿产、油气资源的质量与地球平均质量不同。测量不同位置的重力加速度,通过重力反演方法,可计算出地下质量的分布,从而可以获得矿产、油气资源的分布信息。

在重力法资源勘探中,常用的测量重力加速度的仪器被称为重力仪。根据重力加速度的测量方式的不同,重力仪分为绝对重力仪和相对重力仪两种。绝对重力仪通过测量物体自由下落的距离和时间,精确地测量该处的重力加速度,典型的商用绝对重力仪包括FG5、A10、AQG等。相对重力仪通过测量弹簧在不同重力作用下伸长量的变化来测量该处的重力加速度,典型的商用相对重力仪包括Scintrex CG-6、 GWR iGrav、 g-Phone等。

重力加速度为重力势的一阶导数,而重力加速度相对于空间位置的梯度被称为重力梯度,即重力势的二阶导数。重力梯度为张量,与重力测量相比,具有更高的空间分辨率,能够反映场源体的细节,具有广泛的应用前景。测量重力梯度的仪器被称为重力梯度仪,目前世界上唯一实际用于重力法资源勘探的重力梯度仪为洛克希德-马丁公司研发的旋转加速度计式重力梯度仪,其二次研发的版本主要分为部分张量重力梯度仪(如BHP公司的Falcon系统)和全张量重力梯度仪(如Bell Geospace公司的Air-FTG系统)。

1.5 固体潮、火山活动监测

因地球质量分布不均,重力加速度随空间的分布会存在差异,而同一位置的重力加速度也会随时间发生变化。在日、月和系内行星等引力的作用下,江、河、湖、海会出现潮汐现象,而固体地球也会产生周期性的形变现象,即固体潮[6]。地球的潮汐形变与其介质的物理特征(如密度等)密切相关,因此,对地球固体潮的观测与研究是了解地球内部结构及变化的重要依据。

火山喷发是地球内部热能在地表的一种最强烈的显示,火山在喷发时会产生大量火山灰、熔岩流等,会对人类生产生活产生毁灭性影响。在火山周围采取重力测量手段,监测火山爆发前夕的岩浆喷出,可对火山喷发进行预警。

固体潮与火山活动都会在固定位置产生重力加速度随时间变化的现象。利用绝对重力仪或相对重力仪对当地进行时变重力场长期监测,可以进一步了解地球内部结构及进行自然灾害预警。固体潮等重力时变信号的频率约为10-5Hz甚至更低,因而对相对重力仪的长期稳定性要求非常高。

1.6 重力辅助导航

重力辅助导航是一种利用重力仪或重力梯度仪实时测量区域重力场特征,并与已知的地球重力场数据图进行图形跟踪匹配,从而确定当前确切位置的导航定位技术。重力辅助导航主要用于对惯性导航系统随时间累积的误差进行校正。匹配有惯性导航和重力辅助导航的无源导航系统具有精度高、不受时间限制、无需浮出水面、无辐射等优点,可最终解决潜艇的长期隐蔽性问题,实现真正的无源自主导航。

重力辅助导航需要重力场数据图、高精度重力实时测量仪器和重力场匹配软件,三要素缺一不可。据报道,美国海军已经具备采用重力仪和重力梯度仪进行水下长航时重力辅助导航的能力。高精度的重力实时测量仪器是目前我国重力辅助导航技术的瓶颈,而作为重力测量的核心单元,高精度的加速度传感器是目前亟待解决的关键问题。

2 国内外研究情况

随着MEMS技术发展的日趋成熟,越来越多可用于地球物理领域的高精度MEMS惯性传感器涌现出来,主要包括MEMS地震检波器、MEMS角加速度计、MEMS相对重力仪和MEMS重力梯度仪。这些高精度MEMS惯性传感器的出现,有望为地球物理领域对有体积、质量限制或对极端的应用环境和低成本有需求的场合提供有效的解决方案。

2.1 MEMS地震检波器

目前,在地球物理领域应用最为广泛的高精度MEMS惯性传感器是用于地震监测和资源勘探的MEMS地震检波器。MEMS地震检波器具有成本低、安装要求不高、维护简单等特点,适合于高密度布设。其主要可分为噪声水平优于1μg/Hz1/2的可用于强震测量的MEMS地震加速度计,以及噪声水平优于1ng/Hz1/2的可用于微震测量的MEMS微震仪。现有的国内外MEMS地震检波器与传统商业微震仪的最低噪声水平和带宽对比如图2所示,MEMS地震加速度计采用的传感方式主要包括电容式、光学式、隧穿电流式、压电式、谐振式和电化学式[2,5,7-8]。

典型的电容式MEMS地震加速度计为如图3所示的瑞士Colibrys公司的SF1500型[9]地震加速度计。SF1500型地震加速度计采用体硅加工工艺,使用差分变间距的电容位移传感方式和静电力伺服反馈控制,输出为加速度模拟量。敏感结构采用真空封装,并与电路通过混合封装的方式,形成多芯片模块并安装在PCB板上。整个器件的尺寸约为25mm×19.8mm×16.5mm。

SF1500型地震加速度计在10Hz～1000Hz范围内的噪声水平为300ng/Hz1/2,线性范围为±3g,标度因数为1.2V/g,频率响应为DC～1500Hz。该型MEMS地震加速度计可以在-40℃～85℃范围内工作,并可承受最高1500g的冲击。

美国IONVA公司(前身为Input/Output公司)的VectorSeis ML21数字式三轴MEMS地震加速度计[10]采用3个独立的单轴电容式MEMS加速度计正交组合而成,如图4所示。该型MEMS加速度计具有动态范围大、接收频率响应范围宽和失真度低等优点,其噪声水平为40ng/Hz1/2,频率响应范围为3Hz～375Hz,量程范围为±0.3g。MEMS加速度计通常被安装在模块内部较低位置,以便于更好地与地面耦合,降低噪声。

RefTek公司的131A-02型井中地震加速度计由3个正交安装的单轴力平衡MEMS加速度计组合而成,其线性动态范围为±3g,最低噪声水平为14ng/Hz1/2,频率响应范围为DC～500Hz。

法国Sercel公司的 DSU-508是采用新一代MEMS技术的地震加速度计产品[11],其单轴MEMS加速度敏感单元如图5所示。该型MEMS传感器采用差分变间距式电容位移传感和基于静电力反馈的数字化闭环控制电路。据最新报道[12],该器件已经在自制隔振平台上实现了最低噪声水平12ng/Hz1/2,其水平轴器件的动态范围为133dB,低频响应最低为0.001Hz。

美国HP公司的电容式MEMS地震加速度计[13]如图6所示,该型加速度计采用体硅加工工艺和 “三明治”的封装方式,采用差分变面积式的电容位移传感方式,以开环模式工作。该型加速度计最低噪声为10ng/Hz1/2,量程为±80mg,频率范围为1Hz～200Hz。

由英国帝国理工学院Pike教授小组研制的MEMS火星微震仪[14],采用电容位移传感和电磁力矩反馈方式。该仪器自噪声为0.25ng/Hz1/2@1Hz,频带范围为10-5Hz～40Hz,是目前世界上精度最高的MEMS微震仪。MEMS火星微震仪的结构尺寸为25mm×25mm×2mm,如图7所示。MEMS火星微震仪的工作温度为－65℃～80℃,可承受30g随机振动、1200g冲击过载,并通过了长时间辐照测试。NASA洞察号火星登陆器已于2018年5月成功发射,作为其核心载荷,MEMS火星微震仪执行了火星内部结构探测的研究任务。

华中科技大学引力中心对MEMS地震加速度计展开了多年研究,已取得了丰硕的成果[15]。该MEMS加速度计如图8所示,采用体硅刻穿工艺加工、差分变面积式电容位移传感和电磁力反馈控制,最低噪声水平为25ng/Hz1/2。新一代噪声水平优于1ng/Hz1/2的MEMS加速度计正在进行内部测试。

Silicon Audio公司的光学式MEMS微震仪[16]如图9所示,该微震仪采用光学干涉位移传感和电磁力反馈,最低噪声水平可达1ng/Hz1/2@1Hz,动态范围为183dB@1Hz,在0.005Hz～1000Hz范围内加速度平坦输出。

斯坦福大学研制的基于电子隧穿效应位移传感和静电力反馈的MEMS加速度计[17]采用体硅加工工艺制造,如图10所示。该MEMS加速度计的噪声水平为20ng/Hz1/2,频率响应范围为5Hz～1500Hz。

剑桥大学研制的谐振式MEMS加速度计[18]如图11所示,该MEMS结构中的惯性质量块通过杠杆结构连接到双端音叉(DETF)谐振器传感元件。外部加速度施加到惯性质量块上,并通过杠杆放大传递到音叉谐振器上,使一端的音叉振动频率增大,另一端的振动频率减小,从而实现频率差分测量。该MEMS加速度计的噪声水平优于150ng/Hz1/2,频率响应范围为1Hz～50Hz。

电化学式MEMS地震加速度计与上述MEMS加速度计的主要不同,在于电化学加速度计以液态的电解液作为惯性质量,通常电解液被2片橡胶膜密封在中间装有多孔电极的管道中。当受外界影响发生振动时,电解液在电极附近形成对流,引起离子浓度的变化,从而产生电流输出。目前,美国亚利桑那州州立大学、中国科学院电子学研究所和PMD Scientific公司都展开了针对电化学式MEMS地震加速度计的相关研究。中国科学院电子学研究所研制的电化学式MEMS地震加速度计[19]如图12所示,其噪声水平为10ng/Hz1/2@1Hz,量程为10mg,频响范围为0.01Hz～10Hz。

另外,浙江大学车录锋教授团队、中科院地质与地球物理所MEMS团队在MEMS地震检波器研制方面都取得了丰硕的成果。

2.2 MEMS角加速度计

角加速度计是一种对角加速度敏感的惯性传感器,其内部结构也可视作二阶弹簧质量块阻尼系统。传统的角加速度计基于伺服力平衡式,或采用石英剪切传感方式进行角加速度测量。面向地球物理应用的角加速度计要求其自身噪声水平优于,表1列出了已报道的高精度MEMS角加速度计的部分参数,包括噪声水平、频率响应范围和量程等。

表1 MEMS角加速度计参数Table 1 Parameters of MEMS angular accelerometers

密歇根大学的MEMS角加速度计[20]采用双锚支撑旋转盘左右敏感单元,采用电容位移传感方式, 其噪声水平为,频率响应范围为DC～250Hz,量程为350rad/s2,其结构如图13所示。

Schlumberger公司[21]开发的MEMS角加速度计的结构如图14所示,其敏感结构采用SOI工艺加工。该MEMS角加速度计采用电容位移传感和静电力反馈, 噪声水平为,频率响应范围为60Hz～250Hz。

帝国理工学院研制的MEMS角加速度计[22]的尺寸为30mm×30mm,如图15所示。

该MEMS传感器采用面内跷跷板式敏感结构,通过体硅刻穿工艺加工和差分变面积电容位移传感,在0.1Hz～10Hz的频率范围内,其噪声优于,量程为200rad/s2。

2.3 MEMS相对重力仪

英国格拉斯哥大学引力波探测课题组于2016年在 《Nature》上发布了一款基于MEMS技术的微型相对重力仪原理样机[23],其结构如图16所示。该样机的核心敏感单元为由深硅刻蚀工艺加工的类似引力波探测器所用隔振系统的非线性硅基挠性几何结构,可以在1g重力下实现低至2.3Hz的本征频率。结合高稳定的光学位移传感器,研制了灵敏度为40μGal/Hz1/2@1Hz、漂移为150μGal/d的MEMS相对重力仪原理样机。该重力仪样机在实验室的mK级主动温控环境下,测量到了与理论模型较符合的地球固体潮汐信号。

华中科技大学引力中心也开展了基于MEMS的相对重力仪研究,并在实验室成功测量到了地球固体潮汐信号。

2.4 MEMS重力梯度仪

荷兰特温特大学研制了可工作于低温环境下的差分加速度计式的MEMS重力梯度仪[24],如图17所示。其传感器的敏感单元为在4寸硅片上加工的2个结构相同的梳齿式加速度计,MEMS重力梯度仪的结构尺寸为80mm×80mm。通过在硅质量块上粘附金块,将惯性质量增加至20g,并采用了差分变间距式电容位移传感和静电力反馈。该传感器在－196℃的低温和高真空环境下达到1×105的高品质因数的前提下,其理论机械热噪声为107mE/Hz1/2,总的重力梯度理论噪声为119mE/Hz1/2,但缺乏重力梯度实验数据和后续报道。

帝国理工学院也报道了一款基于MEMS角加速度计的重力梯度仪。2个背靠背正交放置的MEMS角加速度计可以共模输出角加速度信号,差模输出重力梯度信号。单个MEMS角加速度计的本征频率为6.6Hz,在室温和高真空环境下达到1×105的高品质因数的前提下,MEMS重力梯度仪系统的理论噪声水平为10E/Hz1/2。

3 结论与展望

本文全面地分析了地球物理领域对高精度惯性传感器的应用需求,总结了高精度MEMS惯性传感器的国内外研究现状。目前,在地球物理领域实现应用的主要是MEMS地震检波器,其主要被应用于地震法油气资源勘探和地震烈度速报等领域,且在国外已经有不少成熟的产品。MEMS角加速计和MEMS相对重力仪的研发也不断得到资源开采和能源服务公司的资金支持,正在朝着实用化的方向迈进。MEMS重力梯度仪由于对精度要求更高、技术难度更大,短期内还难以获得应用,目前主要处于预研阶段。高精度MEMS惯性传感器因为MEMS技术自身的低成本、小型化、高集成、低功耗和抗高过载等特点,可以满足一些地球物理领域特定的需求(如深海、深山、深井等极端条件下的应用),以及由于体积/质量/能耗限制,使得传统地球物理仪器无法企及的应用需求。因此,MEMS高精度惯性传感器在地球物理领域中具有广阔应用前景。