如何用MEMS仿真模型设计地震仪

无论在哪一年，全世界大约都会发生16次大地震，其中15次是7级，1次是8级或8级以上的地震^[1]。因此，地震早期预警(EEW)系统的需求量很大。由日本气象厅(JMA)管理的覆盖全国的EEW系统^[2]从2006年开始运行。地震台网由1000个间隔20至25公里的地震台组成。在2011年日本东北9.1级地震之后，日本气象厅收集了关于EEW系统的反馈：人们对地震预警系统表示熟悉，并发现它们很有用；参与者对JMA EEW系统的功效普遍给予了正面反馈，即使有假警报，大家的反馈也令人惊讶地积极。调查对象们都很熟悉早期预警系统的技术局限性，并认为即便是提供虚假警报的系统，也好过对于一个即将发生的地震没有任何预警。rIJednc

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不过由于地震传感器网络分布较少（或有限），地震事件的表征和监测之间可能会发生延迟。解决这一问题的其中一种方法是使用基于MEMS的地震传感器作为传统传感网络的补充。MEMS传感器体积小，价格实惠，适用于局部监测，也可以提高地震监测能力。利用MEMS技术和物联网 (IoT)，人们已经开发或部署了一些有趣的地震传感器技术，作为早期地震预警系统的一部分^[3]。例如，美国加州的MyShake项目使用智能手机提供地震警报；中国台湾的三个EEW系统之一，即台湾大学开发的P-alert系统，通过MEMS传感器可以更快速地提供现场的地震警告。rIJednc

我们与日本早稻田大学合作，共同设计了一种sub-1hz共振频率的MEMS共振器，可用于密集地震仪网络^[4]。该装置的低共振频率是利用具有超小弹簧常数的电调谐弹簧实现的。为了进行微调，我们提出了一种多步骤电调谐方法（如图1）。我们的地震仪结构如图2(a)所示，MEMS+^®仿真模型的俯视图如图2(b)所示。不过设计中所需的小弹簧常数降低了地震仪的抗冲击能力和动态范围。我们采用一种力平衡方法，将其中的质量位移用反馈力抵消（如图3）。这种创新设计已经在MEMS+中进行了模拟，该设计通过使用高度紧凑的外形，可以准确地监测输入的加速度（代替地震活动）。rIJednc

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图1：多步骤电调谐的基本原理rIJednc

出处：早稻田大学Ikehashi教授实验室rIJednc

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图2(a)：地震仪结构示意图rIJednc

出处：早稻田大学Ikehashi教授实验室rIJednc

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图2(b)：MEMS+地震仪模型中心结构俯视图rIJednc

出处：早稻田大学Ikehashi教授实验室rIJednc

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图3：多区模拟框图rIJednc

出处：早稻田大学Ikehashi教授实验室rIJednc

本研究的目标是开发一种灵敏、可靠的MEMS地震仪，可广泛应用于EEW地震预警系统。这种基于MEMS的地震仪可以提供更准确的地震监测，更少的错误警报，有助于挽救生命。我们期待最终将这种创新的地震仪部署到先进的地震预警系统中。rIJednc

参考资料：[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.rIJednc