基于单片SOI硅片的地震检波器用新型微加速度传感器研究

Oil exploration using geophones follows 50 years of moving coil detector has been continuous improvement and development, technical performance has been greatly improved, but its narrow bandwidth, low dynamic range, low fidelity has never been able to overcome. Digital geophone with the new high-performance MEMS sensor compared with the traditional moving coil geophone has the advantages of wide bandwidth, large dynamic range, high vector fidelity, high resolution proposed to meet the oil exploration sector,high-fidelity, high-precision exploration of demand, so as to promote the rapid development of China's petroleum exploration technology. Currently, there is no domestic meet the requirements of the sensor. This project proposes a sandwich capacitive accelerometer production technique based on the dual-device layer SOI wafers, research the sandwich structure capacitive micromachined acceleration sensor fabricated process; developed a single SOI wafers made symmetrical double-sided beam structure MEMS acceleration sensor principle prototype. The project will be carried out in the design, manufacturing, packaging, testing, and application of key breakthrough in new MEMS sensor technology for the geophones in oil exploration and its application in a new generation of oil exploration equipment lay a profound technical.

地震勘探是目前最常用的石油勘探方法之一。以微机电（MEMS）加速度传感器为核心的数字检波器具有灵敏度高、线性度好和动态范围宽等特点，成为地震检波器发展的主流。目前，国内还没有满足使用要求的传感器。为了满足石油勘探界提出的高分辨率、高保真、高精度勘探的需求，推动我国石油物探技术的快速发展。本项目提出一种基于双器件层SOI硅片的MEMS加速度传感器制作技术，研究该传感器单片制作工艺和弹性梁尺寸的精确可控方法；并应用该工艺制作出对称双面梁结构MEMS加速度传感器原理样机。所研制的新型微加速度传感器的制备方法简单，一致性高；形成的器件具有高度法向的对称性，抗侧向冲击和扭转冲击的能力强，灵敏度高和交叉灵敏度低等优点。项目的开展将突破石油勘探地震检波器用新型微机电传感器在设计、制造、封装、检测和应用等方面的关键技术，为其在新一代石油勘探装备中的应用打下深厚的技术基础。

地震勘探是目前最常用的石油勘探方法之一。在地震勘探领域中，用以检测地震波的传感器一般被称为地震检波器。地震检波器应有理想的频率响应以及足够大的动态范围。基于MEMS技术的高性能加速度传感器具有灵敏度高、线性度好和动态范围宽等特点，成为地震检波器发展的主流。.本项目围绕满足石油勘探领域中高分辨率地震勘探所需要的高性能MEMS加速度传感器进行深入的理论及实验研究，设计并制作了一种三层键合全对称三明治结构电容式加速度传感器，它的梁-质量块结构是在单片双器件层SOI硅片上一次性湿法腐蚀制作而成。首先对所设计的加速度传感器建立简化模型，分析传感器结构参数对灵敏度、频率响应、带宽等性能的影响，并结合有限元分析结果优化设计，最后确定传感器的结构参数。确定了器件参数后，对制作传感器的关键工艺进行研究。包括不同类型梁结构的制作工艺和真空封装工艺研究等。在关键工艺研究的基础上设计传感器的制作工艺流程，完成石油勘探用高性能MEMS加速度传感器的制作研究。通过研究，获得一种工艺简单的MEMS传感器的制造技术，实现制造工艺的标准化、制作成品器件的批量化。最后对所研制的两种加速度传感器针对地震检波器的要求进行了详细的性能测试，包括加速度传感器的谐振频率与品质因子、量程、灵敏度与线性度、交叉轴干扰、带宽、动态范围等。所研制的传感器的工作带宽可以达到800Hz (3dB) 以上，动态范围达到110dB。同时地震勘探的野外实用性试验研究表明所研究制备的传感器性能完全满足地震检波器的性能要求指标，达到了国外先进商业化产品的水平。