震撼你的世界：使用 MEMS 地震仪监测地震

每年，我们预计全球大约会发生 16 次大地震，其中 15 次在 7 级范围内，1 次在 8.0 级或更高范围内 [1]。因此，对地震预警 (EEW) 系统的需求很高。

由日本气象厅 (JMA) 管理的全国性 EEW 系统自 2006 年以来一直在运行 [2]。该网络由1000个地震站组成，相距20至25公里。

在2011年的M9.1东北太平洋大地震后，JMA收集了关于他们的EEW系统的反馈。人们熟悉地震警报系统，并发现它们很有用。参与者对JMA EEW系统的实施反馈普遍积极，并且对于虚假警报也出乎意料地持积极态度。

调查受访者熟悉早期警报系统的技术限制，并认为他们更喜欢一个提供虚假警报的系统，而不是一个不发出关于实际地震的警报的系统。

不幸的是，由于稀疏（或有限）的地震传感器网络，地震事件的表征和检测之间可能会出现延迟。

解决这个问题的一种方法是使用基于MEMS的地震传感器来补充传统传感器网络。MEMS传感器体积小、价格低廉、适合局部监测，可以部署以增加地震监测能力。利用MEMS技术和物联网（IoT），一些有趣的地震传感器技术已经开发或部署为早期地震预警系统的一部分[3]。

加利福尼亚州的MyShake项目利用智能手机提供地震警报。台湾三个EEW系统之一的P-alert系统是由国立台湾大学（NTU）开发的，它使用MEMS传感器更快地提供现场警报。

近期我们与早稻田大学合作，设计了一种低于1Hz共振频率的MEMS谐振器，可用于密集的地震仪网络[4]。该设备的低共振频率是通过使用超小弹簧常数的电调谐弹簧来实现的。

为了进行精细调节，我们提出了一种多步电调谐方法（图1）。我们地震计的结构如图2(a)所示，MEMS+®模拟模型的俯视图如图2(b)所示。

不幸的是，设计中所需的小弹簧常数降低了地震计的冲击强度和动态范围。为了改善冲击强度和增强动态范围，我们采用了一种力平衡方法，其中反馈力将质量位移抵消（图3）。

这种创新的设计已在MEMS+中进行了模拟，并且该设计可以使用高度紧凑的形态准确检测输入加速度（代表地震运动）。

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图 1. 多步电调谐的基本原理。图片由早稻田大学池桥教授实验室提供。

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图2.(a)地震仪结构示意图；(b) 地震仪 MEMS+ 模型中心结构的顶视图。图片由早稻田大学池桥教授实验室提供。

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图 3. 多域仿真框图。图片由早稻田大学池桥教授实验室提供。

本研究的目标是开发一种灵敏且稳健的基于 MEMS 的地震仪，可广泛部署在地震预警系统中。

这种基于 MEMS 的地震仪可以提供更准确的地震检测，并减少误报，从而有助于挽救生命。

我们期待着未来与早稻田大学的合作，并最终将这种先进的地震仪部署到先进的地震预警系统中。

参考：

1.https://www.usgs.gov/faqs/why-are-we-having-so-many-earthquakes-has-naturallyoccurring-earthquake-activity-been（2021 年 11 月 10 日访问）

2.Velazquez, O.、Pescaroli, G.、Cremen, G. 和 Galasso, C. (2020)。地震预警系统的技术和社会组织组成部分的审查。地球科学前沿，8，445。

3.RM 艾伦和 D 梅尔加 (2019)。地震预警：进展、科学挑战和社会需求。地球与行星科学年度回顾，47， 361-388。

4.Wu, J.、Maekoba, H.、Parent, A. 和 Ikehashi, T. (2022)。通过微地震仪的多步调谐实现的低于 1 Hz 的共振频率谐振器。微型机械， 13 (1), 63。

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