如何用MEMS仿真模型設計地震儀

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測之間可能會(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傳感網(wǎng)絡(luò )的補充。MEMS傳感器體積小，價(jià)格實(shí)惠，適用于局部監測，也可以提高地震監測能力。

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，1次是8級或8級以上的地震[1]。因此，地震早期預警(EEW)系統的需求量很大。由日本氣象廳(JMA)管理的覆蓋全國的EEW系統[2]從2006年開(kāi)始運行。地震臺網(wǎng)由1000個(gè)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系統的反饋：人們對地震預警系統表示熟悉，并發(fā)現它們很有用；參與者對JMA EEW系統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。調查對象們都很熟悉早期預警系統的技術(shù)局限性，并認為即便是提供虛假警報的系統，也好過(guò)對于一個(gè)即將發(fā)生的地震沒(méi)有任何預警。

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測之間可能會(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傳感網(wǎng)絡(luò )的補充。MEMS傳感器體積小，價(jià)格實(shí)惠，適用于局部監測，也可以提高地震監測能力。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)，作為早期地震預警系統的一部分[3]。例如，美國加州的MyShake項目使用智能手機提供地震警報；中國臺灣的三個(gè)EEW系統之一，即臺灣大學(xué)開(kāi)發(fā)的P-alert系統，通過(guò)MEMS傳感器可以更快速地提供現場(chǎng)的地震警告。

我們與日本早稻田大學(xué)合作，共同設計了一種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的電調諧彈簧實(shí)現的。為了進(jìn)行微調，我們提出了一種多步驟電調諧方法（如圖1）。我們的地震儀結構如圖2(a)所示，MEMS+?仿真模型的俯視圖如圖2(b)所示。不過(guò)設計中所需的小彈簧常數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 )新設計已經(jīng)在MEMS+中進(jìn)行了模擬，該設計通過(guò)使用高度緊湊的外形，可以準確地監測輸入的加速度（代替地震活動(dòng)）。

圖1：多步驟電調諧的基本原理

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗室

圖2(a)：地震儀結構示意圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗室

圖2(b)：MEMS+地震儀模型中心結構俯視圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗室

圖3：多區模擬框圖

出處：早稻田大學(xué)Ikehashi教授實(shí)驗室

本研究的目標是開(kāi)發(fā)一種靈敏、可靠的MEMS地震儀，可廣泛應用于EEW地震預警系統。這種基于MEMS的地震儀可以提供更準確的地震監測，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)的地震預警系統中。

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（泛林集團旗下公司）作者：資深應用工程師 Hideyuki Maekoba）