MEMS检波器动态参数及测试方法的研究

实际工程勘探中传感器通称检波器,常规的加速度和速度型传感器的检测量是静态参数,而石油勘探等领域检测的是动态参数,也就是频率和波形。MEMS检波器主要动态参数有:频率响应也称频率范围、失真系数、动态范围。本文主要研究MEMS检波器动态参数及测试方法,通过对地震勘探MEMS检波器进行动态性能分析,介绍频率范围、失真度系数、动态范围的测试方法,实际的测量结果证明了测试方法的正确性和可行性。     

一种多功能全数字MEMS三分量检波器设计

针对复杂条件下多波地震勘探施工的适应能力及设备的抗干扰问题,设计了一种以MEMS传感器组为核心的多功能全数字三分量检波器。以高性能低功耗的STM32F4为控制中心,集成三分量MEMS加速度传感器、电子罗盘、陀螺仪、倾角传感器等组成多功能检波器,设计多路可配置信号调理模块,提高系统动态范围及带宽,配合软并行采集技术构成可扩展裁剪的分级式全数字三分量检波器,并对外提供IP地址自适应的高速RS485传输通信接口,实测检波器动态范围达120 d B以上,A/D有效分辨率达20位以上,噪声水平小于8μV。检波器已经应用于数字VSP系统,野外试验显示设计的检波器具有较高的分辨率和一致性。     

MEMS宽带电化学地震检波器

针对深部油气勘探的需要,研制了基于微机电系统(MEMS)的宽带电化学地震检波器。仿真分析了影响该检波器频带的结构参数,并对其MEMS实现及封装方法进行了研究。利用有限元软件分析绝缘层厚度和阴极孔径对检波器幅频特性的影响,得到了优化的几何参数。基于仿真结果,利用MENS工艺加工硅基的Pt电极和Su-8的绝缘层,然后用物理紧固的方法进行器件封装。最后,分别在水平振动台和基岩上进行了检波器的性能测试和微震监测实验。实验结果表明:无需进行频率补偿,由20μm孔径阴极和200μm厚绝缘层封装的器件的频带可扩展到3~90 Hz,低频扩展到60S的补偿额度小于30dB,检波器的动态范围不小于130dB。实验显示:这种改进的检波器可以作为宽带地震检波器用于深部或海底的油气勘探。     

石油勘探MEMS加速度传感器在煤田勘探的应用

介绍了一种石油勘探MEMS加速度传感器，该传感器是一种适应石油、煤田地震勘探设备向小型化、高分辨率、智能化方向发展的一种新产品。对石油勘探MEMS加速度传感器与传统检波器的特点进行了比较分析，介绍了该传感器已达到的技术指标和与国外同类产品的比较情况，同时介绍了数据采集及多传感器融合技术、地震勘探系统接口技术等应用方面的研究，最后介绍了该传感器在煤田勘探的实验情况。     

基于结构组件库的MEMS概念设计方法

提出了一种基于结构组件库的MEMS概念设计方法。给出了结构组件的表征形式,探讨了基于功能分解的结构组件模型获取方法,借以形成支持概念设计的结构组件模型库。阐明了MEMS概念设计时如何通过行为匹配自动检索出相关组件及其行为链组合、通过对行为链组合进行功能结构细化获得备选的器件方案。结合航空及空气动力学领域急需的MEMS微型剪应力传感器实例对该概念设计方法进行了阐述。研究表明,该方法对于提高MEMS概念设计效率及方案创新能力、促进MEMS概念设计工具化有积极作用。     

MEMS及微系统的计算机模拟与辅助设计

介绍了MEMS CAD的特点及MEMS与微系统的设计方法,对MEMS CAD系统中的系统级、器件行为级、器件物理级及工艺级等各级仿真器的特点、相互关系及在MEMS CAD中的作用进行了分析,并对MEMS CAD方法、MEMS与微系统的EDA工具进行了综述.     

基于模糊集与小波技术的MEMS平面运动测量

实现对MEMS的微结构平面运动幅值提取和分析,为提高MEMS器件的性能和可靠性分析提供重要参考。在连续光照明条件下,提出了一种基于模糊集图像增强技术与小波变换边缘检测技术相结合的MEMS运动幅值测量方法。该方法通过模糊集技术对MEMS运动模糊特征带进行图像增强及降噪处理,并结合小波变换技术提取MEMS谐振器的运动幅值。通过扫频实验获得MEMS谐振器的平面运动幅值响应曲线。实验结果表明,该方法的测量重复性误差优于55 nm。     

MEMS陀螺零偏温度补偿方法

MEMS陀螺零偏是惯性导航系统的主要误差源之一,而外界环境温度变化对MEMS陀螺零偏具有重要影响。针对上述情况,提出基于小波阈值去噪与RBF神经网络相结合的零偏温度补偿方法。通过设计好的实验方案采集与温度相关的MEMS陀螺输出数据,并采用不同的温度补偿方法进行零偏温度补偿。实验结果表明,与原始输出、多项式拟合及RBF神经网络相比,基于去噪RBF神经网络的零偏温度补偿方法精度更高,适应性更强,有效地提高了MEMS陀螺输出精度,进而提高惯性导航系统精度。     

MEMS集成设计与制造技术进展

芯片技术已成为制约我国高质量发展的瓶颈,基于微机电系统(MEMS)技术的高性能微传感器芯片更是备受欧美“卡脖子”的核心器件之一。“工欲善其事,必先利其器”,与微电子芯片类似,设计及制造技术也是制约MEMS芯片性能的关键。首先,从MEMS设计方法及工具出发,回顾MEMS设计方法从固定流程的结构化设计方法到任意流程的泛结构化设计方法的发展过程,介绍任意流程设计方法的优势,同时介绍目前世界上主流的商用MEMS设计工具并对比典型设计工具的优缺点。其次,介绍MEMS制造技术的特点及面临的挑战,着重分析国际上及几种典型的定制化制造技术以及西北工业大学提出的单掩膜与选择性释放制造方法。随后分析批量化制造技术的优势并给出了国内常见的批量化代工方法及典型批量化代工工艺。最后,指出高端MEMS设计与制造集成的必要性,以期为我国MEMS批量化制造发展提供参考。     

微机电系统测试技术及方法

微机电系统 (MEMS)测试技术及方法是MEMS设计、仿真、制造及质量控制和评价的关键环节之一,本文对MEMS测试技术及方法所涉及的微机械量、微几何量、微材料特性以及系统综合参数与性能的测试技术及方法进行了讨论。重点介绍了光学及光电检测技术在微机电系统检测中的应用,对计算机微视觉检测技术在微机电系统检测中的应用进行了探讨。     

High sensitivity fiber laser geophone array and field test analysis

In this paper we report the development and field test analysis of a high sensitivity fiber laser geophone array. The fiber laser geophone array, as well as a moving-coil geophone array for comparison purpose, is field tested using the downhole explosion method at different points of the array at Shengli oilfield, Shandong, China. The detailed information of the acquired seismic signals, e.g. waveform, frequency spectrum, and noise is analyzed for assessing the performance of the fiber laser geophone array. Single channel contrast, gather contrast and stack section contrast are analyzed between the fiber laser geophone and moving-coil geophone. In comparison the moving coil geophone, fiber laser geophones have the advantages of high sensitivity, wide bandwidth, and good high-frequency response. This work shows that using fiber laser technology to develop geophone for micro-seismic data acquisition system is both advantageous and feasible.     

电气噪声对地音传感器低频扩展范围的影响分析

地音传感器被广泛采用串联校正方法进行低频扩展以实现对低频及超低频振动的准确测量,电气噪声是影响其低频扩展范围的关键因素.建立了包含测量、预放大、传输及串联校正环节在内的多输入单输出地音传感器测振模型,定量分析了初、次级电气噪声水平与地音传感器低频扩展范围之间的关系.研究结果表明,初级电气噪声是限制地音传感器低频扩展范围...     

MEMS惯导的加速寿命试验分析

针对微机械惯性导航系统的储存寿命进行了加速寿命试验分析。介绍了MEMS惯导的特性及主要指标。依据加速寿命试验的基本理论,结合MEMS惯导中的关键器件特性,对加速应力、应力水平及加速模型进行了选取,制定了试验方案;同时,提出了该试验方案下威布尔分布数据的分析方法,从而可估算出产品的寿命。     

MEMS微梁粘附“突陷”静力分析

“突陷”现象严重影响着MEMS微梁性能。根据Hamaker微观连续介质修正理论,建立了MEMS微梁同基座粘附力包含斥力的数学模型;分析了微梁的静力平衡关系,发现引起微梁“突陷”的本质是弹性力同粘附力的不稳定平衡问题;通过增加微梁刚度,提出一种控制微梁“突陷”发生的方法,并给出仿真结果。     

微机电系统静动态测试技术研究

在中国国家863高技术发展计划MEMS重大专项课题《MEMS动态特性频闪干涉视觉三维测量技术及系统》资助下，研发微机电系统(Micro Electro Mechanical System , MEMS)动态特性三维测量技术与系统。对已有的微几何量、微材料力学性能和MEMS动态参数测试方法进行研讨。 几何尺寸和表面形貌轮廓的测量是MEMS测量的基础。二维微几何量检测采用普通光学显微镜和扫描电子显微镜。表面形貌测量大致可分为接触式测量和非接触式测量，机械触针式轮廓仪是典型的接触式测量仪器，非接触式测量大多采用光学技术，主要有光针式轮廓仪，采用光切、干涉、投影光栅和微视觉等测量方法。     

MEMS节点化建模及其在集成微系统设计中的应用

为实现MEMS产品的快速设计和性能验证,在借鉴其结构化设计思想即节点分析法的基础上,提出了一种与常规信号流类比不同,适于集成微机电系统快速仿真的等效电路建模思路和方法。首先,对系统及MEMS器件进行功能及结构分解;然后,分别对各基本单元进行节点化建模,并在一定的机电类比规则下将其转换为等效电网络(元件);最后,根据节点变量约束关系,将这些等效网络(元件)逐层重构为器件级和系统级等效电路。结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对上述方法进行了具体介绍和验证。利用OrCAD等电路仿真器分析、测试了所建立的体现多能域耦合关系的微系统数字化分析原型,结果显示,相对于VHDL-AMS描述法,该模型具有单一域内的更加直观的模型形式和快捷的仿真速度,表明本文提出的方法在复杂MEMS集成系统的分析设计中具有一定的应用价值。     

Design and application of fiber Bragg grating (FBG) geophone for higher sensitivity and wider frequency range

The fiber Bragg grating geophone sensor with higher sensitivity and wider frequency range was reported. The methods to increase the sensitivity of the FBG cantilever sensor were presented. The acceleration sensitivity of the optimized FBG geophone is 220 pm/g, and the resonant frequency can reach to 295 Hz. The experiments show that the FBG geophone system has the minimum detectable acceleration of 1 mm/s². Some factual application examples of using this fiber Bragg grating geophone monitoring system for micro seismic monitoring in coal mine were presented.     

微电子机械系统在相控阵天线中的应用

主要讨论了微电子机械系统(MEMS)在相控阵天线中的应用。在介绍用MEMS开关器件实现的移相器、无源微波传输线、可转动天线单元等之后,重点讨论了微电子机械天线(包括宽频带、多频段可重构天线孔径)。     

Calculating the effective material constant for multigrain orthotropic polysilicon by the boundary element method

The reliability and safety of MEMS parts are important factors in industrial MEMS applications. Most MEMS parts are made from multigrain polysilicon, an orthotropic material with random material direction. Analyzing the stress and displacement and knowing the effective material constant are important when using MEMS in industrial applications. We developed a computer program to calculate the effective material constant of polysilicon using the boundary element method with the microstructure evolution method. The results obtained using the boundary element method were compared to those obtained using the finite element method to confirm the validity of the program.