提高MEMS检波器技术指标的研究.pdf

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1、2012钲仪表技术与传感器2O12第2期InstrumentTechniqueandSensorNo．2提高MEMS检波器技术指标的研究杨仲华，王书军，陈海波，王义江，唐晓刚，牛德芳(1．威海双丰电子集团，山东威海264209；2．山东省煤田地质局物探测量队，山东泰安271021；3．威海职业学院，山东威海264210)摘要：通过对石油勘探领域应用的电容式MEMS加速度检波器的研究，重点提出提高MEMS检波器的动态、静态、稳定性指标的方法及理论根据，并通过试验进一步证明方法的正确性及可行性。关键词：检波器；动态；静态；

2、稳定性；指标中图分类号：TP212文献标识码：A文章编号：1002—1841(2012)02—0012—03Study0nImprovingTechnologicalIndexofMEMSGeophoneYANGZhong—hua，WANGShu—jun，CHENHai—bo，WANGYi-jiang，TANGXiao—gang，NIUDe—fang(1．ShandongWeihaiSunfullElectronicsGroupCo．，Ltd．，Weihai264209，China；2．ShandongCoalfiel

3、dExplorationGeologicalSurveyBrigade，Taian271021，China；3．WeihaiVocationalCollege，Weihai264210，China)Abstract：ThroughthestudyofthecapacitivesensingMEMSaccelerationgeophoneintheapplicationareaofthenational”TenthFive—Year”project863oilexplorationproject，thepaperfocu

4、sedonincreasingthemethodandthetheoryevidenceofthedy—namic，staticstateandstabilityindexofMEMSgeophone．Andthefurthertestsprovetheaccuracyandfeasibilityofthemethod．Keywords：geophone；dynamic；staticstate；stability；index0引言研究的电容式MEMS加速度检波器的结构是一种三明治随着油、煤等能源开采速度的不断提高，藏量

5、丰富的油田、式结构，如图1所示。煤田逐年减少，而世界上油的藏量也仅剩40％左右，摆在勘探者面前的又多是低渗透油田，其油层分布深浅不一，油层厚度有的仅有lm左右，这都为勘探工作者带来巨大的困难，为此勘探科技人员就要求勘探中所用的检波器技术指标能适应新1一上电极结构；2一可动电极结构；的勘探要求。美国、法国先后研究开发了电容式MEMS石油勘3下电极结构；4一悬臂梁；5一质量块(差动电极)探检波器，并在油田、煤田勘探领域获得成功，而我国也非常重图1MEMS检波器结构剖面图视此项研究工作，在国家“十五”863项目和“十一五”8

6、63项目1．1．1减小质量块产生的噪声均列有重大课题开展研究工作，该文就是在此基础上撰写的。从图1可以看出，该MEMS检波器是一个周边固支的多悬文中动态参数是以提高动态范围为重点，并对频率范围、失真臂梁连接共同质量块的结构。为分析问题方便，把质量块划分度和静态指标以及减小非线性、提高灵敏度和稳定性指标、降到每根梁部分去。当MEMS检波器受到振动信号激励悬臂梁，低零点温度漂移和灵敏度温度漂移做了较为全面的探讨，提出可使弹簧带动质量块产生加速度运动，由于质量块和梁的振动理论根据，并通过科学实验做了进一步验证。必然导致检波器

7、腔室内气体的扰动，而腔室中的流体又会对质1MEMS检波器动态指标量块和梁产生阻尼，这种阻尼可视为电阻，一样会产生热能，而1．1动态范围这种热能的存在则会产生热噪声。质量块产生的布朗噪声。动态范围是MEMS检波器满量程输出值与所能检测到的阻尼产生的固有噪声，其噪声谱密度函数为均方力噪声。最小信号的比值，然后取其分贝值，见式(1)：VEs(1)=4KBTR(2)。=2。式中：为热噪声；K为波尔兹曼常数；R为阻尼等效热阻；T式中：D为MEMS检波器的动态范围；VF为MEMS检波器的满为温度。量程输出；Vm为MEMS检波器的最

8、小检测值。把噪声转变为等效加速度：提高动态范围的关键是降低噪音，噪音的来源主要有3方面：检波器自身带来的噪音；配套电路元器件引入的噪音；外界a：—————一㈩j干扰噪音。文中重点介绍的是MEMS检波器自身的噪音。式中：n为等效加速度噪声；。为系统无阻尼谐振频率，。=基金项目：国家863项目(2008AA042201)收稿日期：20