【導讀】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年開始運行。地震臺網(wǎng)由1000個間隔20至25公里的地震臺組成。
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于EEW系統(tǒng)的反饋:人們對地震預警系統(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警系統(tǒng)的技術局限性,并認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警。
不過由于地震傳感器網(wǎng)絡分布較少(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)絡的補充。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,作為早期地震預警系統(tǒng)的一部分[3]。例如,美國加州的MyShake項目使用智能手機提供地震警報;中國臺灣的三個EEW系統(tǒng)之一,即臺灣大學開發(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[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)構如圖2(a)所示,MEMS+?仿真模型的俯視圖如圖2(b)所示。不過設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)新設計已經(jīng)在MEMS+中進行了模擬,該設計通過使用高度緊湊的外形,可以準確地監(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Ikehashi教授實驗室
圖2(a):地震儀結(jié)構示意圖
出處:早稻田大學Ikehashi教授實驗室
圖2(b):MEMS+地震儀模型中心結(jié)構俯視圖
出處:早稻田大學Ikehashi教授實驗室
圖3:多區(qū)模擬框圖
出處:早稻田大學Ikehashi教授實驗室
本研究的目標是開發(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(tǒng)。這種基于MEMS的地震儀可以提供更準確的地震監(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的地震預警系統(tǒng)中。
參考資料:
[1] Available online: https://www.usgs.gov/faqs/why-are-we-having-so-many-earthquakes-has-natu... (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.
(來源:泛林半導體設備技術,作者:Coventor(泛林集團旗下公司)資深應用工程師 Hideyuki Maekoba)
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