如何用MEMS仿真模型設(shè)計(jì)地震儀

由于地震傳感器網(wǎng)絡(luò)分布較少（或有限），地震事件的表征和監(jiān)測(cè)之間可能會(huì)發(fā)生延遲。解決這一問(wèn)題的其中一種方法是使用基于MEMS的地震傳感器作為傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。MEMS傳感器體積小，價(jià)格實(shí)惠，適用于局部監(jiān)測(cè)，也可以提高地震監(jiān)測(cè)能力。

無(wú)論在哪一年，全世界大約都會(huì)發(fā)生16次大地震，其中15次是7級(jí)，1次是8級(jí)或8級(jí)以上的地震[1]。因此，地震早期預(yù)警(EEW)系統(tǒng)的需求量很大。由日本氣象廳(JMA)管理的覆蓋全國(guó)的EEW系統(tǒng)[2]從2006年開(kāi)始運(yùn)行。地震臺(tái)網(wǎng)由1000個(gè)間隔20至25公里的地震臺(tái)組成。在2011年日本東北9.1級(jí)地震之后，日本氣象廳收集了關(guān)于EEW系統(tǒng)的反饋：人們對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)表示熟悉，并發(fā)現(xiàn)它們很有用；參與者對(duì)JMA EEW系統(tǒng)的功效普遍給予了正面反饋，即使有假警報(bào)，大家的反饋也令人驚訝地積極。調(diào)查對(duì)象們都很熟悉早期預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)局限性，并認(rèn)為即便是提供虛假警報(bào)的系統(tǒng)，也好過(guò)對(duì)于一個(gè)即將發(fā)生的地震沒(méi)有任何預(yù)警。

不過(guò)由于地震傳感器網(wǎng)絡(luò)分布較少（或有限），地震事件的表征和監(jiān)測(cè)之間可能會(huì)發(fā)生延遲。解決這一問(wèn)題的其中一種方法是使用基于MEMS的地震傳感器作為傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。MEMS傳感器體積小，價(jià)格實(shí)惠，適用于局部監(jiān)測(cè)，也可以提高地震監(jiān)測(cè)能力。利用MEMS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)或部署了一些有趣的地震傳感器技術(shù)，作為早期地震預(yù)警系統(tǒng)的一部分[3]。例如，美國(guó)加州的MyShake項(xiàng)目使用智能手機(jī)提供地震警報(bào)；中國(guó)臺(tái)灣的三個(gè)EEW系統(tǒng)之一，即臺(tái)灣大學(xué)開(kāi)發(fā)的P-alert系統(tǒng)，通過(guò)MEMS傳感器可以更快速地提供現(xiàn)場(chǎng)的地震警告。

我們與日本早稻田大學(xué)合作，共同設(shè)計(jì)了一種sub-1hz共振頻率的MEMS共振器，可用于密集地震儀網(wǎng)絡(luò)[4]。該裝置的低共振頻率是利用具有超小彈簧常數(shù)的電調(diào)諧彈簧實(shí)現(xiàn)的。為了進(jìn)行微調(diào)，我們提出了一種多步驟電調(diào)諧方法（如圖1）。我們的地震儀結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，MEMS+?仿真模型的俯視圖如圖2(b)所示。不過(guò)設(shè)計(jì)中所需的小彈簧常數(shù)降低了地震儀的抗沖擊能力和動(dòng)態(tài)范圍。我們采用一種力平衡方法，將其中的質(zhì)量位移用反饋力抵消（如圖3）。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)在MEMS+中進(jìn)行了模擬，該設(shè)計(jì)通過(guò)使用高度緊湊的外形，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)輸入的加速度（代替地震活動(dòng)）。

圖1：多步驟電調(diào)諧的基本原理

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗(yàn)室

圖2(a)：地震儀結(jié)構(gòu)示意圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗(yàn)室

圖2(b)：MEMS+地震儀模型中心結(jié)構(gòu)俯視圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗(yàn)室

圖3：多區(qū)模擬框圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗(yàn)室

本研究的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種靈敏、可靠的MEMS地震儀，可廣泛應(yīng)用于EEW地震預(yù)警系統(tǒng)。這種基于MEMS的地震儀可以提供更準(zhǔn)確的地震監(jiān)測(cè)，更少的錯(cuò)誤警報(bào)，有助于挽救生命。我們期待最終將這種創(chuàng)新的地震儀部署到先進(jìn)的地震預(yù)警系統(tǒng)中。

參考資料：[1] Available online: https://www.usgs.gov/faqs/why-are-we-having-so-many-earthquakes-has-naturallyoccurring-earthquake-activity-been (accessed on 10 November 2021)[2] Velazquez, O., Pescaroli, G., Cremen, G., & Galasso, C. (2020). A review of the technical and socio-organizational components of earthquake early warning systems. Frontiers in Earth Science, 8, 445.[3] Allen, R. M., & Melgar, D. (2019). Earthquake Early Warning: Advances, scientific challenges, and societal needs. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 47, 361-388.[4] Wu, J., Maekoba, H., Parent, A., & Ikehashi, T. (2022). A Sub-1 Hz Resonance Frequency Resonator Enabled by Multi-Step Tuning for Micro-Seismometer. Micromachines, 13(1), 63.

（來(lái)源:Coventor（泛林集團(tuán)旗下公司）作者：資深應(yīng)用工程師 Hideyuki Maekoba）