MEMS也可以用來監(jiān)測地震

無論在哪一年，全世界大約都會發(fā)生16次大地震，其中15次是7級，1次是8級或8級以上的地震［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）管理的覆蓋全國的EEW系統(tǒng)［2］從2006年開始運(yùn)行。地震臺網(wǎng)由1000個間隔20至25公里的地震臺組成。在2011年日本東北9．1級地震之后，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JMA EEW系統(tǒng)的功效普遍給予了正面反饋，即使有假警報，大家的反饋也令人驚訝地積極。調(diào)查對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的系統(tǒng)，也好過對于一個即將發(fā)生的地震沒有任何預(yù)警。

不過由于地震傳感器網(wǎng)絡(luò)分布較少（或有限），地震事件的表征和監(jiān)測之間可能會發(fā)生延遲。解決這一問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，價格實惠，適用于局部監(jiān)測，也可以提高地震監(jiān)測能力。利用MEMS技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng) （IoT），人們已經(jīng)開發(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，美國加州的MyShake項目使用智能手機(jī)提供地震警報；中國臺灣的三個EEW系統(tǒng)之一，即臺灣大學(xué)開發(fā)的P－alert系統(tǒng)，通過MEMS傳感器可以更快速地提供現(xiàn)場的地震警告。

我們與日本早稻田大學(xué)合作，共同設(shè)計了一種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。不過設(shè)計中所需的小彈簧常數(shù)降低了地震儀的抗沖擊能力和動態(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)計已經(jīng)在MEMS＋中進(jìn)行了模擬，該設(shè)計通過使用高度緊湊的外形，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測輸入的加速度（代替地震活動）。

圖1：多步驟電調(diào)諧的基本原理

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實驗室

圖2（a）：地震儀結(jié)構(gòu)示意圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實驗室

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教授實驗室

圖3：多區(qū)模擬框圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實驗室

本研究的目標(biāo)是開發(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，更少的錯誤警報，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。

來源：泛林集團(tuán)

審核編輯 ：李倩