专利名称：一种微型震动传感器阵列及在地面目标跟踪中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种一种微型震动传感器阵列及在地面目标跟踪中的应用，更确切地说本发明涉及一种由多个微型震动传感器组成的微型传感器阵列，可用于对地面运动目标实施跟踪定位测量，检测地面运动目标的距离、方位以及目标类型的震动传感器。
背景技术：
目前，传统的用于地面目标检测的震动传感器一般采用单传感器的方式，震动传感器的选用通常为动圈式或者MEMS结构的速度型传感器。使用时，将这种单体震动传感器埋设于地下，通过感应地面运动目标激励的地表震动来获取有关目标的信号。通过对目标信号的特征分析，可以进一步确定目标的类型。这种以单传感器为主的探测系统被广泛应用于地震探测、矿产探查以及安防的防入侵系统等。随着震动传感器的应用推广，各种应用对基于震动传感器的检测设备也提出了新的要求，其中最主要的是要求在设备的小型化的基础上实现多功能化，具备对震动源的定位能力。对震动源的定位可以采用分布式光纤震动传感器可以实现对震动目标的定位，其基本原理是利用了震动冲击作用于光纤引起其折射率的变化，进而引起光波相位的变化。 通过检测这种变化定位光纤被作用点，从而探测震动目标的位置。但是，这种方式要求光纤必须布设在震动目标存在的位置，属接触型传感器，并且布设方式复杂，维护困难，不具备移动性，仅适用于固定区域的封边检测。由于仅采用了单传感器结构，无法满足检测地面目标的距离以及方位等信息的需求，作为解决手段，因此，震动源的定位的另一种解决手段是布设多个分离式震动传感器单元构成一个阵列，然后通过多根线缆连接到一个信号处理设备，以达到多通道采集信号从而获得目标的距离、方向信息，如探矿用的多震动阵列；或者采用无线网络的方式将多个分离的单震动传感器联合起来，实现对目标距离及方位的检测，如无线传感器网络。无论是采用有线或无线的方式，这种分立组合的阵列结构通常比较复杂，硬件成本高，体积大，占地范围广，另外各传感器之间的一致性也难以保证，导致信号间差异明显，对信号处理的方法以及硬件要求也提出了较高的要求。因此针对这种需求，结合震动传感器的最新发展，本发明拟提出了一种用于地面目标跟踪的微型震动传感器阵列。

发明内容
为了克服现有的单体式震动传感器设备仅能探测地面目标类型而无法同时实现对目标的定位的缺点，本发明的目的在于提供一种微型震动传感器阵列以及在地面目标跟踪中的应用。所提供的微型传感器阵列能同时检测出地面运动目标的类型、距离以及方位
^fn 息。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是采用集成封装的模式，将多个的MEMS震动传感器按照中心一个，其余四周等距布设的方式安装在PCB电路板上，PCB电路板的其余空间为相应的处理电路。处理电路部分包括多路模拟信号的放大滤波模块、AD转换模块以及算法处理模块(MCU)。如图1所示本发明所述的MEMS震动传感器采用集成封装的方式安装在PCB板上。MEMS震动传感器采用粘接剂固定在PCB板上，粘接剂固化后可以保证传感器与 PCB板的良好接触，传感器的信号引脚与电路板上电路芯片之间采用金丝引线连接，因此传感器的输出信号可以直接由信号处理电路采集、放大并分析，以实现对震动源的定位、识别和分类。所述的微型震动传感器阵列采用基于MEMS (微电子机械系统)工艺制作的震动传感器组成震动阵列，可以象制作集成电路一样批量化生产，性能一致性良好，，由于采用 MEMS工艺制作的震动传感器器件的体积通常只有几个毫米大小，采用硅材料制作，利用变电容结构或压变电阻等结构感应震动信号，工作电压可低至3-5V，与集成电路有很好的接口兼容性，因此可以方便集成制作片上芯片系统，目前已有集成混合封装工艺实现将MEMS 传感器与相关处理电路集成在同一电路板上的技术。采用集成混合封装工艺可以方便地将数个MEMS震动传感器集成在PCB电路上，组成一个微型化的十字震动传感器阵列，从而实现对地面运动目标的定位、识别与分类功能。十字震动传感器阵列实现定位的基本原理为利用震动源信号到达传感器阵列中不同传感器的时间差来确定震动源的距离。由于该十字阵列尺寸小，因此时间差值也很小， 为保证足够的定位精度，对信号的采样率也必须相应提高，而以目前的电路技术是可以满足要求的。震动传感器对地面运动目标的识别与分类功能是通过分析震动信号源的频谱特征实现的，通过比对频率分布特征可以识别不同的震动目标，该方面的技术目前已成熟，可以应用于本发明中。所述的信号处理电路的基本模块如图2所示，为叙述方便，以5个传感器为例说明之。如图2所示，构成十字阵列的五个传感器将感应到震动信号转换为微弱电信号输出，使用的震动传感器为中科院上海微系统研制的MEMS震动传感器芯片，其频率响应范围可选择> Ο-lKHz，灵敏度为约为300mv/cm/S。信号放大与滤波模块将震动传感器的输出信号放大并滤除噪声，其参数一般为增益60-80db，带宽不小于IOKHz。放大后的信号经由多路高速AD芯片采样并转换为数字信号，AD芯片的通道数不少于5个，采样率不低于10m/S，分辨率不低于12bit。转换后的数字信号由MCU单元接收并处理。MCU单元通常为高速单片机或DSP芯片，内置时间差分定位算法模块和频谱分析及分类识别模块。时间差分定位算法模块用于计算多个传感器信号之间的时间差一实现对震动源的定位功能，频谱分析及分类识别模块则通过对震动信号的频谱分析及比对实现对震动目标的分类识别。由此可见，本发明是采用集成封装的形式将多个微型化的震动传感器与相应的处理电路制作在同一块PCB板上，震动传感器之间的间距仅为几个厘米的量级，既达到小型化的目的，又充分发挥阵列传感器的优势，达到同时检测目标类型与目标定位的功能。
本发明提供的一种用于地面目标跟踪的微型震动传感器阵列，至少包括一个PCB 电路板，以及在PCB电路板中心放置的微型震动传感器，在中心位置放置的微型震动传感器的周围等间距放置的其他同类型微型震动传感器，微型震动传感器采用集成封装形式安装在PCB电路板上，震动信号处理电路包括多通道模拟信号放大与滤波模块，AD转换模块以及算法处理模块同样包含在PCB电路板上。其中，①组成阵列的震动传感器的排列方式是十字阵元方式或者其它中心对称方式；②组成阵列的震动传感器的数量可以是3个，5个，5个或更多数量；③组成阵列的震动传感器是微型化的，可以是采用MEMS工艺制作的速度型或加速度型传感器芯片，也可以是采用其它工艺条件制作的速度型或加速度型传感器芯片；④组成阵列的中心放置的震动传感器与周围震动传感器的距离是厘米量级的，一般为5-6cm左右。总而言之，本发明提供的微型震动传感器阵列是在一个PCB电路板上集成封装有多个微型化的相同MEMS震动传感器，相应的震动信号处理电路也集成在同一 PCB板上。多个震动传感器以十字阵的方式布设组成一个微型化的阵列。在测量某一地面目标时，只需将传感器放置于该平面内，根据传感器各个阵元自身的坐标以及各自输出信号的时间相关就可以确定目标的距离及方向，根据各个阵元输出信号的频谱特征就可以确定目标的类型，如是否为人或者车辆等，从而实现对目标的全面探测与定位。也即它是一种能够同时检测地面运动目标的距离、方位以及类型的微型震动传感器阵列。


图1本发明提供的MEMS震动传感器安装在PCB板上的示意图。图2本发明提供的MEMS震动传感器阵列的信号处理电路模块。图3是本发明的实施方案图。图3中，1为PCB电路板，2为布设于PCB板中心位置的震动传感器，3，4，5，6为等间距布设于四周的震动传感器，7为处理电路模块。 图4是本发明的电路原理图。图4中，2，3，4，5，6为布设于PCB板上的震动传感器，8为多路模拟信号放大与滤波模块，9为多路AD转换电路模块，10为算法处理模块(MCU)。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。详见图3，为方便起见本实施例仍以5元震动传感器阵列为例作详细描述，实际可根据需要制作能集成更多阵元的震动传感器阵列，其基本结构类似。图中1为PCB电路板，2为设置于PCB电路板中心位置的震动传感器，该震动传感器为采用MEMS工艺制作的微型化震动传感器芯片，面积大小一般为4 X 6mm左右，震动感应方向垂直于PCB电路板表面，其余4个震动传感器为等间距布设于PCB板四周的其他微型化震动传感器芯片，它们与处于中心位置的震动传感器为同一批次生产的同规格的震动传感器芯片，每个震动传感器芯片与(2)的间距相同，距离设置大约5cm左右，安装方式、震动感应方向均与(2)相同。震动传感器芯片构成十字阵形式，并且采用紧密贴装的形式固封在PCB板的表面，以减少震动信号从PCB板传递到震动芯片过程中的衰减。PCB板上除了安装震动传感器芯片外，在其余部分为相应的处理电路，其基本组成如图2所示，包括多通道的模拟信号放大与滤波模块、多路AD转换模块以及算法处理模块等。
本发明的微型震动传感器阵列在测量某一地面目标时，只需将传感器放置于该平面内，根据传感器各个阵元自身的坐标以及各自输出信号的时间相关就可以确定目标的距离及方向，根据各个阵元输出信号的频谱特征就可以确定目标的类型，如是否为人或者车辆等，从而实现对目标的全面探测与定位。关于如何实现对目标的定位及分类算法，不属于本发明的范围，在此不作描述。
权利要求
1.一种微型振动传感器阵列，其特征在于采用集成封装的形式将多个微型化的震动传感器与相应的信号处理电路制作在同一块PCB板上；其中，①所述的多个微型化的震动传感器采用集成封装的模式，将多个同类型的MEMS震动传感器按照中心一个，其余周围等间距布设的方式，组成十字阵元震动传感器阵列，安装在 PCB电路板上；②所述的信号处理电路包括多通道模拟信号放大与滤波模块(8)、AD转换模块(9)以及算法处理模块(10)；③组成十字阵元的震动传感器将感应到的震动信号转换为微弱电信号输出，经多通道模拟信号放大与滤波模块(8)，使输出信号放大并滤除噪声，放大后的信号经AD转换模块 (9)采样并转换为数字信号，转换后的数字信号由MCU单元接收并处理。
2.按权利要求1所述的阵列，其特征在于①组成阵列的震动传感器阵列的排列方式为其它中心对称方式；②组成阵列的震动传感器的数量为3个、5个或5个以上。
3.按权利要求1所述的阵列，其特征在于所述MEMS震动传感器采用粘结剂固定在PCB 板上，传感器的信号引脚与PCB电路板上电路芯片之间采用金丝引线连接。
4.按权利要求1所述的阵列，其特征在于组成阵列的中心位置震动传感器与周围等间距布设的震动传感器之间的间距为厘米量级。
5.按权利要求1-4中任一项所述的阵列，其特征在于所述的微型化震动传感器地频率响应范围为> Ο-lkHz，灵敏度为300mv/cm/s。
6.按权利要求1所述的阵列，其特征在于信号处理电路中a)信号放大与滤波模块的增益为60-80db，带宽不小于IOkHz；b)AD转换模块中的通道数不少于5个，采样率不低于lOm/s，分辨率不低于12bit；c)算法处理模块为高速单片机或DSP芯片，内置时间差分定位模块和频道分析及分类识别模块。
7.按权利要求1、2、3或4所述的阵列，其特征在于所述的震动传感器面积为4X6mm， 震动感应方向垂直于PCB电路板表面。
8.按权利要求1所述的阵列，其特征在于组成阵列的微型化震动传感器芯片是采用 MEMS工艺制作的速度型或加速度型传感器或是采用它工艺条件制作的速度型或加速度传感器。
9.按权利要求4所述的阵列，其特征在于组成阵列的中心位置震动传感器与周围等间距布设的震动传感器之间的间距为5-6cm。
10.按权利要求1-4或6中任一项所述的阵列的应用，其特征在于能同时检测地面运动目标的距离、方位以及类型；在测量某一地面目标时，只需将传感器放置于该平面内，根据传感器各个阵元自身的坐标以及各自输出信号的时间相关就可以确定目标的距离及方向， 根据各个阵元输出信号的频谱特征就可以确定目标为人或者车辆；从而实现对目标的全面探测与定位。
全文摘要
本发明涉及一种微型振动传感器阵列及其在地面目标跟踪中的应用，其特征在于它是一个PCB电路板上集成封装有多个微型化的相同MEMS震动传感器芯片，相应的震动信号处理电路也集成在同一PCB板上。多个震动传感器芯片以十字阵的方式布设组成一个微型化的阵列。在测量某一地面目标时，只需将传感器放置于该平面内，根据传感器各个阵元自身的坐标以及各自输出信号的时间相关就可以确定目标的距离及方向，根据各个阵元输出信号的频谱特征就可以确定目标的类型，如是否为人或者车辆等，从而实现对目标的全面探测与定位。亦即本发明提供的是一种能够同时检测地面运动目标的距离、方位以及类型的微型震动传感器阵列。
文档编号G01H17/00GK102435299SQ20111023088
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者宋勇, 李宝清, 袁晓兵 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所