漲知識了！MEMS也可以用來監(jiān)測地震
摘要：泛林集團(tuán)如何利用MEMS+®仿真模型設(shè)計(jì)地震儀
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(shí)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(xiàng)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(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(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。
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.
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