BR112014013857B1

BR112014013857B1 - Sensor de pressão de fluido e sonda de medição

Info

Publication number: BR112014013857B1
Application number: BR112014013857-5A
Authority: BR
Inventors: Eric Donzier; Emmanuel Tavernier
Original assignee: Openfield
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2020-09-29
Also published as: FR2983955A1; BR112014013857A2; CN104040315B; WO2013083821A1; US8931347B2; CN104040315A; CA2858146A1; MX336698B; MX2014006922A; US20130145853A1; CA2858146C; FR2983955B1; AU2012350278B2; EP2788732B1; AU2012350278A1; BR112014013857A8; EP2788732A1

Abstract

sensor de pressão de fluido e sonda de medição. a presente invenção refere-se a um sensor de medição de pressão de fluido (11) compreendendo um chip de sistema microeletromecânico mems (23). o chip de mems (23) compreende duas paredes laterais (56), uma membrana sensível (49) conectada a ditas paredes laterais (56) e cavidade vedada (9). as superfícies exteriores das paredes laterais (56) e a membrana sensível (49) são expostas à pressão de fluido. as paredes laterais (56) são projetadas para submeter a membrana sensível (49) a uma tensão de compressão transmitida pelas paredes laterais (56) opostas onde ditas paredes laterais (56) são conectadas à membrana sensível (49) de modo que a membrana sensível (49) trabalha em compressão somente. o chip de mems (23) também compreende um circuito de detecção de tensão (31) para medir o estado de compressão da membrana sensível (49) que é proporcional à pressão de fluido.

Description

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se a um sensor de pressão de fluido.

[002] Mais precisamente, o sensor de pressão de acordo com a invenção é pretendido para uso sob condições de pressão extremas tais as encontradas em poços, por exemplo, durante exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Tipicamente, para estas aplicações a pressão pode se estender de algumas centenas de bares a mais do que 200 MPa (2.000 bares).

ANTECEDENTE DA TÉCNICA

[003] Para condições de operação tão extremas quanto estas, as tecnologias atualmente usadas para medição de pressão são muito limitadas e são baseadas no uso de peças mecânicas macroscópicas feitas de ligas de aço de alta resistência tal como inconel ou quartzo e são associadas com técnicas de fabricação complexas. Consequentemente, as sondas de alta pressão disponíveis no mercado são grandes (tipicamente várias dezenas de centímetros de comprimento), caras e oferecem somente aspectos limitados.

[004] Uma característica importante de requisitos de instrumentação de fundo de poço é devido ao fato de que a maior parte dos fenômenos a ser avaliada durante as operações de perfuração, produção ou estímulo pode estar relacionada a pequenas variações em torno do valor de pressão normal que, como descrito anteriormente, é muito alto.

[005] Avanços recentes na indústria de silício e de microeletrônicos levaram ao desenvolvimento de sensores de pressão em miniatura. A vantagem principal desta tecnologia é que os elementos sensíveis são fabricados em bateladas de pastilhas de silício, a fim de produzir um grande número de "chips"a baixo custo.

[006] No entanto, o desempenho e a confiabilidade de sensores usando elementos sensíveis deste tipo são limitados, especialmente sob as condições de pressão extremas acima mencionadas.

[007] O silício é de fato um material muito frágil quando é submetido a forças de alongamento/deformação. Um alongamento/deformação relativo de cerca de 1% rompe o cristal e, portanto, destrói o sensor. Mesmo para níveis de tensão de tração menores do que este valor limitante, os deslocamentos presentes no cristal deslocamse, resultando em problemas de fadiga e dano ao elemento sensível.

[008] A situação é diferente quando o silício é submetido a forças de compressão onde, neste caso, o material pode suportar tensões muito altas sem problemas de fadiga. Na prática, as contrações de até cerca de 5% podem ser aceitas sem risco de ruptura.

[009] Quando desenvolvendo um sensor, é, portanto, fundamental otimizar a distribuição de tensões na estrutura. A distribuição irá definir o desempenho metrológico do sensor, sensibilidade, estabilidade e robustez.

[0010] O elemento sensível de um sensor de pressão de silício de acordo com o estado da técnica é mostrado nas figuras 1A e 1B e compreende uma armação rígida 1 com, em seu centro, uma área de espessura reduzida criada microusinando o silício a fim de criar uma membrana sensível 2 compreendendo uma parede superior 3 e uma parede inferior 4.

[0011] Os resistores sensíveis a tensão 5, incluindo dois resistores 5a posicionados longitudinalmente e dois resistores 5b posicionados transversalmente, também denominados piezorresistores ou calibres, estão localizados sobre a membrana 2 e conectados juntos pelo meio de conexão 6 a fim de formar um circuito de medição de ponte de Wheatstone.

[0012] Os requerentes referem-se à figura 2, ilustrando o elemento sensível do sensor que tem uma placa 8 anexada sob seu lado inferior, deste modo formando uma cavidade 9 sob vácuo e criando um sensor de pressão absoluto.

[0013] O elemento sensível, conhecido na técnica anterior, opera como a seguir: o efeito da pressão aplicada sobre a parede superior 3 da membrana 2 cria uma força que induz um desvio em dita membrana e o aparecimento de tensões mecânicas no plano da membrana, que são medidas pelos piezorresistores.

[0014] A figura 3 ilustra uma forma tomada pela tensão CT ao longo do eixo AM da membrana para uma determinada pressão.

[0015] As áreas de tensão máxima aparecem nas áreas de junção (na tensão MT sobre a parede superior da membrana e em compressão MC sobre sua parede inferior) e ao centro da membrana (em compressão MC sobre a parede superior e em tensão MT sobre a parede inferior).

[0016] A figura 4 é uma representação diagramática do circuito de detecção de tensão de acordo com a técnica anterior.

[0017] Os resistores são supridos com voltagem e corrente a partir do exterior através dos contatos elétricos 7a e 7b.

[0018] A saída do elemento sensível é definida pela diferença de voltagem Vs entre os contatos 7c e 7d que é expressa pelas seguintes relações obtidas com referência à figura 5.

[0019] Vs = 1/2. V. (ΔRI/RI ΔRt/Rt),

[0020] ΔRI/RI = Gl xΔI/l,

[0021] ΔRt/Rt = GtxΔI/l, em que

[0022] V é a voltagem de suprimento de energia de ponte,

[0023] RI é o valor de um piezorresistor 5a (presume-se que os dois calibres longitudinais são idênticos), que é submetido a um alongamento ΔI/I devido ao efeito de pressão sobre a membrana que é direcionado ao longo do eixo de fluxo de corrente no resistor, e ΔRI a variação no valor deste resistor sob o efeito desta tensão com respeito à posição da membrana em repouso, isto é, sem pressão.

[0024] Rt é o valor de um piezorresistor resistor 5b (presume-se que os dois calibres transversais são idênticos), que é submetido a um alongamento ΔI/I devido ao efeito de pressão sobre a membrana que é direcionado perpendicular à eixo de fluxo de corrente no resistor, e ΔRt a variação no valor deste resistor sob o efeito desta tensão com respeito à posição da membrana em repouso (sem pressão).

[0025] Gl e Gt são os fatores de calibres longitudinais e transversais dos piezorresistores. Para silício monocristalino, estes fatores dependem do tipo de orientação e da concentração de dopagem (por exemplo, a concentração de dopagem de boro CB em átomos por cm3) e a temperatura T (em graus Celsius), como ilustrado nas figuras 6 e 7.

[0026] A seta rotulada i representa a direção de corrente.

[0027] Este tipo de elemento sensível demonstra as seguintes desvantagens, que desvalorizam o desempenho do sensor:

[0028] • a área de tensão máxima é concentrada em uma pequena área e deve estar perfeitamente alinhada com respeito às posições das áreas de junção da membrana, tornando difícil posicionar os piezorresistores e resultando em uma perda de sinal;

[0029] • a pressão máxima permissível do sensor é limitada pelo fato de que o silício é submetido a um alto nível de tensão de tração nas áreas de junção. Consequentemente, a sensibilidade deve ser limitada para permanecer abaixo dos níveis de tensão de ruptura e estabilidade.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0030] Um objetivo desta invenção é superar as desvantagens da técnica anterior, projetando um sistema de medição total que é mais adequado para monitorar as operações de produção e manutenção de poço, econômico para fabricar e otimizado para tomar uma medição altamente precisa sob condições de pressão extremas.

[0031] Um aspecto da invenção, portanto, refere-se a um sensor de medição de pressão de fluido compreendendo um chip de sistema microeletromecânico (MEMS). O chip de MEMS compreende duas paredes laterais, uma membrana sensível conectada às paredes laterais e cavidade vedada. As superfícies exteriores das paredes laterais e a membrana sensível são expostas à pressão de fluido. As paredes laterais são projetadas para submeter a membrana sensível a uma tensão de compressão transmitida pelas paredes laterais opostas onde ditas paredes laterais são conectadas à membrana sensível de modo que a membrana sensível trabalha em compressão somente. O chip de MEMS também compreende um circuito de detecção de tensão para medir o estado de compressão da membrana sensível que é proporcional à pressão de fluido.

[0032] A membrana sensível pode tomar uma forma retangular compreendendo dois lados longos, em que as duas paredes laterais conectadas à membrana sensível por seus dois lados longos são projetadas para submeter a membrana sensível a uma tensão de compressão em uma direção perpendicular aos lados longos. Uma altura das paredes laterais pode ser pelo menos cinco vezes maior do que uma espessura da membrana sensível, por exemplo, dez vezes. A ca-vidade pode ser preenchida com um gás cuja pressão de referência é menos do que a pressão de fluido a ser medida.

[0033] Outro aspecto da invenção diz respeito a uma sonda compreendendo este tipo de sensor de medição de pressão de fluido compreendendo um chip de sistema microeletromecânico (MEMS).

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0034] Outros aspectos, propósitos e vantagens desta invenção irão aparecer quando da leitura da descrição detalhada a seguir, de acordo com as modalidades dadas como exemplos não limitantes e em referência aos desenhos anexos em que:

[0035] • As figuras 1A e 1B ilustram o elemento sensível de um sensor de pressão de silício de acordo com o estado da técnica;

[0036] • A figura 2 é uma vista em seção transversal do element sensível do sensor de acordo com a figura 1;

[0037] • A figura 3 ilustra a forma tomada pela tensão ao longo do eixo de membrana para uma determinada pressão, para um sensor tal como o representado nas figuras 1 e 2;

[0038] • A figura 4 é uma representação diagramática do circuito de detecção de tensão de acordo com o estado da técnica;

[0039] • A figura 5 ilustra os fatores de calibres transversais e lon gitudinais dos piezorresistores de acordo com as direções de alongamento;

[0040] • A figura 6 representa os fatores de calibres longitudinais e transversais dos piezorresistores de acordo com o plano cristalino considerado;

[0041] • A figura 7 ilustra a variação de fatores de calibres como uma função da temperatura, de acordo com as três concentrações de dopagem de boro consideradas;

[0042] • A figura 8 é uma vista explodida do sensor de pressão de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

[0043] • A figura 9 ilustra a composição do chip de MEMS do sen sor mostrado na figura 8.

[0044] • A figura 10 é uma vista similar à figura 9, o chip de MEMS sendo mostrado de cabeça para baixo;

[0045] • A figura 11 mostra o elemento sensível do sensor posicio nado no encaixe de alojamento do elemento de suporte;

[0046] • A figura 12 é uma representação diagramática do sensor de pressão de acordo com o exemplo de modalidade mostrado nas figuras 8 a 11 quando dito sensor é integrado em uma sonda;

[0047] • A figura 13 mostra o substrato de chip de MEMS usado para produzir a membrana;

[0048] • As figuras 14A e 14B ilustram, respectivamente, os lados superior e inferior do substrato de silício 25;

[0049] • A figura 15 ilustra a forma tomada pela tensão ao longo do eixo de membrana para uma determinada pressão;

[0050] • A figura 16 ilustra os arcos conectando as membranas ao chip;

[0051] • A figura 17 mostra outra modalidade do chip;

[0052] • A figura 18 ilustra a geometria dos calibres piezorresistivos;

[0053] • A figura 19 mostra os valores de sensibilidade térmica pa ra a resistividade e o fator de calibre medido experimentalmente para três níveis de dopagem de boro diferentes;

[0054] • A figura 20 ilustra a geometria e orientação dos resistors de chip sensíveis, incluindo os resistores para a medição de temperatura;

[0055] • A figura 21 ilustra o processo de fabricação de chips de acordo com os exemplos de modalidade da invenção; e

[0056] • A figura 22 proporciona uma descrição esquemática da voltagem de desequilíbrio de ponte como uma função da pressão para o chip.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0057] Em todas as figuras, referências idênticas ou similares referem-se a componentes ou conjunto de componentes idênticos ou similares. As proporções dos vários elementos mostrados no desenho são realísticas e em conformidade com os processos de fabricação usados, especialmente o processo de fabricação de chip de MEMS como ilustrado na figura 21.

[0058] Além disso, esta descrição usa palavras tais como "superior" e "inferior", em referência à posição do sensor quando ele está na posição vertical, como mostrado na figura 8.

[0059] Os requerentes referem-se à figura 8, ilustrando uma vista explodida do sensor 11 de acordo com uma modalidade da invenção, apropriado para uso em poços.

[0060] O sensor 11 compreende um envelope externo 13 contendo um fluido inerte 17 em sua parte superior 15 e um elemento sensível 21 em sua parte inferior 19.

[0061] A parte superior 22 do envelope externo 13 é protegida de fluido cuja pressão deve ser medida, que pode ser corrosivo, por um diafragma 24, consistindo tipicamente de um disco de aço inoxidável separando dito fluido do fluido inerte 17 contido na parte superior 15 de dito envelope 13.

[0062] O elemento sensível 21 do sensor 11 consiste de um chip de sistema microeletromecânico 23 (referido como "chip de MEMS", para Sistema Microeletromecámico, ou sensor de silício, no restante da descrição).

[0063] Com referência à figura 9, o chip de MEMS 23 compreende uma pilha consistindo de um primeiro substrato de silício 25, um substrato de suporte 27 e um segundo substrato de silício 29. O substrato de suporte 27 pode ser um substrato isolante tal como vidro ou Pyrex, ou um substrato semicondutor tal como silício. O uso de silício para fabricar um ou mais elementos do chip de MEMS é um exemplo não limitante uma vez que outros materiais podem ser usados para produzir estes elementos.

[0064] O primeiro substrato de silício 25 compreende uma membrana sensível de silício monocristalino que pode ser tensionada mecanicamente sob o efeito da pressão de fluido inerte, e um circuito de detecção de tensão 31 compreendendo resistores elétricos. O substrato de silício 25 toma a forma de um paralelepípedo retangular compreendendo paredes laterais externas substancialmente planas 26, 28. Obviamente, o substrato de silício pode tomar uma forma de paralelepípedo diferente, tal como um cubo, por exemplo.

[0065] O segundo substrato de silício 29 conecta o chip de MEMS 23 e um elemento de suporte 33 (mostrado na figura 11) do elemento sensível, pertencendo a um corpo de sensor. Esta conexão é tipicamente produzida por ligação.

[0066] A figura 10 é uma vista explodida do chip de MEMS 23 virado de cabeça para baixo comparado com sua representação na figura 9.

[0067] A superfície de contato 34 entre o substrato de silício 29 e o elemento de suporte do corpo de sensor é formada pela borda periférica 35 do substrato 29 e através de um pino de conexão 37 que forma uma cavilha, substancialmente formada no centro de dito substrato, e estendendo-se perpendicular à parede inferior 39 do substrato de silício 29.

[0068] O pino de conexão 37 pode ser usado para montar o chip 23 em seu elemento de suporte por uma ligação virtualmente de ponto, de modo que o chip de MEMS 23 não é afetado pelas tensões a partir do suporte mecânico, que pode vir, por exemplo, a partir da caixa de sensor sob o efeito de trocas de temperatura ou de pressão ou de impactos durante as operações.

[0069] O pino de conexão 37 forma um elemento de desacoplamento proporcionando excelente estabilidade de medição. Isto é uma melhora sobre o estado dos chips da técnica que têm uma superfície pegajosa desestruturada, que é difícil de ligar e que pode prejudicar a metrologia do sensor gerando problemas de histerese e deslocamento.

[0070] De acordo com outra modalidade não mostrada, a superfície de contato entre o segundo substrato de silício e o corpo de sensor consiste de uma pluralidade de cavilhas distribuídas, por exemplo, substancialmente sobre a periferia de dito substrato. Por exemplo, a superfície de contato pode incluir uma cavilha central e quatro cavilhas localizadas nos vértices da parede inferior do substrato.

[0071] Preferivelmente, no entanto, a área da superfície de contato entre dito substrato e o corpo de sensor não excede 50% da área de dito substrato de silício do chip de MEMS 23.

[0072] Os requerentes referem-se agora à figura 11, ilustrando o chip de MEMS 23 montado em seu elemento de suporte 33.

[0073] O chip de MEMS 23 é projetado para ser conectado a um dispositivo de processamento de dados (70, mostrado na figura 12) através do meio de conexão elétrico 41.

[0074] O elemento de suporte 33 do chip de MEMS 23 é feito de um material como cerâmica. Dito elemento de suporte compreende um encaixe de alojamento 42 para receber o chip de MEMS 23 e os alojamentos 43 para receber o meio de conexão elétrico 41 conectando o chip de MEMS 23 e o dispositivo de processamento de dados.

[0075] Estes alojamentos 43 consistem tipicamente de perfurações substancialmente perpendiculares ao encaixe de alojamento 42 do chip de MEMS 23.

[0076] A figura 8 mostra que o sensor de pressão também compreende uma passagem de alimentação de pressão 45 (isto é, um orifício de passagem para condutores elétricos vedados com respeito à pressão de fluido) formando uma barreira de pressão entre o chip de MEMS 23 e o dispositivo de processamento de dados.

[0077] A passagem de alimentação de pressão é alojada entre o elemento de suporte 33 do chip de MEMS 23 e o alojamento do corpo de sensor, impedindo a transmissão de pressão ao dispositivo de processamento de dados. Esta passagem de alimentação de pressão compreende um cilindro de vidro ou de cerâmica e é equipada com uma pluralidade de elementos condutores 41 para fazer a conexão elétrica entre o chip de MEMS 23 e o dispositivo de processamento de dados.

[0078] Além disso, o dispositivo de processamento de dados comunica-se com um dispositivo de aquisição de dados localizado preferivelmente sobre a superfície, através de meio de comunicação por telemetria, possivelmente incluindo meio de transmissão de onda do tipo sonoro ou eletromagnético, por exemplo, e um cabo elétrico instalado no poço e conectando estes meios de transmissão ao dispositivo de superfície.

[0079] A operação do sensor descrito acima com referência às figuras 8 a 11 será mais fácil de entender com referência à figura 12, que proporciona uma ilustração diagramática de sua operação para uma aplicação em uma sonda 80. Esta sonda 80 pode, por exemplo, ser implantada em um poço direcionado para um reservatório de hidrocarboneto.

[0080] O fluido 61 (por exemplo, o fluido a partir do reservatório de hidrocarboneto pode incluir óleo, água, compostos de ácido, etc.) cuja pressão deve ser medida exerce uma força sobre o sensor de acordo com a invenção, sobre o diafragma de proteção 24.

[0081] O fluido inerte 17, por exemplo, óleo de silicone, em contato com o chip de MEMS 23, transmite a pressão exercia sobre o diafragma 24 para a membrana sensível 49 do chip de MEMS 23.

[0082] Como descrito anteriormente, o fluido no poço pode ser altamente corrosivo. Este pode ser o caso quando o fluido contém sulfeto de hidrogênio e/ou ácidos de fratura. O fluido inerte 17 é usado para transferir a pressão de dito fluido para a membrana sensível do chip 23 e impedir o contato direto entre dito chip e o fluido, que poderia danificar seriamente a membrana de chip se o fluido foi corrosivo.

[0083] A membrana deforma sob o efeito da pressão exercida pelo fluido inerte 17, esta tensão mecânica é então convertida pelo circuito de detecção de tensão em uma variação em resistências elétricas e na voltagem de desequilíbrio de ponte.

[0084] Esta voltagem é então transferida para o dispositivo de processamento de dados através do meio de conexão elétrica 41 cruzando a barreira de pressão 45. Tipicamente, o meio de conexão elétrico 41 compreende uma pluralidade de elementos condutores compostos de tomadas conectadas a uma extremidade para os elementos sensíveis do chip de MEMS formando contatos elétricos, através de cabos elétricos 47 demonstrando boas propriedades de condutividade elétricas, tais como fios de ouro ou de alumínio, e por outro lado ao dispositivo de processamento de dados 70.

[0085] O sensor de pressão é alojado dentro da sonda 80 que também recebe o dispositivo de processamento de dados acima mencionado, deste modo otimizando o desempenho do sensor de pressão e tornando o mesmo altamente flexível para uso no campo. O dispositivo de processamento de dados 70 pode, como requerido, compreende os seguintes módulos principais: um suprimento de energia 71 (por exemplo, uma bateria acoplada a um regulador de voltagem ou um gerador de corrente para alimentar a ponte de calibres e os detectores de temperatura de resistência, um ou mais amplificadores diferenciais, um ou mais amplificadores diferenciais 72 cujas entradas são conectadas à saída da ponte de calibres e ao detector de temperatura de resistência (RTD), um conversor analógico-digital 73, um microcontrolador de conversão dados em pressão calibrada e valores de temperatura 74, uma memória 75 para armazenar os dados registrados e um módulo de comunicação 76 para comunicação com o exterior.

[0086] De acordo com uma configuração, o módulo de comunicação 76 usa acoplamento eletromagnético para ouvir e transmitir dados sobre um cabo conectando a superfície ao fundo do poço, ou a uma seção parcial do poço.

[0087] A sonda 80 tem um transformador acoplado ao cabo, a fim de detectar sinais presentes sobre o cabo, mas também para transmitir sinais sobre estes cabos. Cada sonda usa um conjunto de frequências específicas alocadas para transmitir seus dados. Um sistema de codificação simples é para transmitir um trem de ondas senoidais a uma frequência F1 para transmitir um "0" lógico e um trem de ondas senoidais a uma frequência F2 para transmitir um "1" lógico. Um algoritmo de alocação de janela de tempo é executado para cada sonda de modo que as sondas não se comunicam todas ao mesmo tempo.

[0088] O sistema de aquisição de superfície opera similarmente, com um transformador de interface de cabo e um conjunto de frequências de comunicação.

[0089] Uma frequência adicional, com grandes sinais de amplitude, pode ser usada para transmitir energia elétrica ao fundo do poço, por exemplo, para alimentar as sondas se as baterias não podem ser usadas, como nos sistemas permanentes.

[0090] Uma vantagem desta abordagem comparada com o estado da técnica, onde várias sondas devem ser conectadas eletricamente ao cabo, que envolve cortar o cabo e fazer uma junta ou emenda de solda sob condições de campo difíceis, é que é mais fácil de instalar e mais seguro.

[0091] De acordo com outra configuração, o módulo de comunicação 76 da solda 80 usa transmissão sonora. Uma onda sonora é emitida por um transdutor 77 em contato com o fluido que é propagado no poço e detectado remotamente pelo módulo de comunicação de outras sondas ou o módulo de superfície, ou um módulo de comunicação de fundo de poço conectado a um módulo de superfície por um cabo.

[0092] Os dados calibrados são então enviados ao dispositivo de aquisição de dados (não mostrado) localizado sobre a superfície por comunicação configurada pela transmissão de onda do tipo sonoro ou eletromagnético, permitindo o processamento de dados em tempo real.

[0093] Os requerentes agora se referem à figura 13, ilustrando o primeiro substrato 25 do chip de MEMS 23 mostrado na figura 9, dito substrato sendo anexado ao substrato de suporte 27 do tipo de vidro ou Pyrex, por exemplo, por ligação eletrostática. A fixação do substrato de suporte 27 à parte inferior do primeiro substrato 25 define uma cavidade 9 sob vácuo, a fim de criar um sensor de pressão absoluto. O segundo substrato de silício 29 (mostrado nas figuras 9 e 10) foi omitido.

[0094] A membrana sensível 49 do chip de MEMS é feita no substrato 25 de dito chip e deformada sob o efeito da pressão P exercida pelo fluido inerte 17.

[0095] O efeito da pressão P aplicado sobre o lado superior da membrana 49 cria uma força que induz um desvio em dita membrana e o aparecimento de tensões mecânicas no plano da membrana, que são medidas pelos piezorresistores.

[0096] De acordo com a primeira modalidade da invenção, o primeiro substrato 25 do chip compreende pelo menos duas ranhuras 51 cortadas perpendiculares à parede superior 53 do substrato de dito chip e localizadas em cada lado da membrana 49.

[0097] Preferivelmente, as ranhuras 51 tomam uma forma substancialmente retangular e são produzidas próximo à área de junção da membrana 49, dita área de junção da membrana sendo feita substancialmente no centro da parede superior 53 do substrato 25, mas deslocada se requerido para outra parte da parede superior do substrato, por exemplo, para sua periferia.

[0098] Estas ranhuras 51 definem as paredes laterais internas 56 cujas partes superiores formam as áreas de junção da membrana 49. As paredes laterais 56 são projetadas de modo a transmitir a pressão P exercida pelo fluido sobre os lados da membrana 49, deste modo gerando uma tensão de compressão CT adicionada às tensões devido à pressão que atua sobre a superfície da membrana 49.

[0099] As figuras 14A e 14B ilustram, respectivamente, os lados superior e inferior do substrato de silício 25 compreendendo a membrana 49 de acordo com o exemplo de modalidade acima mencionado.

[00100] A membrana 49 toma a forma substancialmente retangular, de comprimento L e largura I, para assegurar que é submetida à compressão ao longo de um eixo preferencial útil para o circuito de detecção de tensão, e para otimizar a transferência da força de compressão das paredes internas 56 sobre a membrana 49. Por exemplo, o comprimento L é cerca de 1 mm e a largura I cerca de 0,2 mm.

[00101] Apropriadamente, o comprimento da membrana 49 é pelo menos duas vezes sua largura.

[00102] Além disso, apropriadamente, as ranhuras 51 são dispostas de modo que as paredes internas 56 são substancialmente paralelas aos lados longos (de comprimento L) da membrana.

[00103] Uma vantagem com este tipo de geometria é que a tensão no centro da membrana 49 é na maior parte ao longo do eixo de sua largura (portanto, paralela a seus lados curtos), deste modo otimizando o posicionamento e a sensibilidade dos piezorresistores.

[00104] Esta configuração do elemento sensível aumenta a sensibilidade e a estabilidade e oferece melhor resistência a excesso de pressão comparada com as soluções do estado da técnica.

[00105] As modalidades de fato demonstram que um sinal de saída maior do que 0,5 volt para 1 volt de suprimento de ponde pode ser alcançado sem ruptura ou fadiga da membrana. Este resultado é muito maior do que a técnica anterior de sensores de silício, para os quais um sinal de saída máximo de exatamente 0,1 volt para 1 volt de suprimento de ponte pode ser alcançado sem o risco de ruptura ou fadiga da membrana.

[00106] Os requerentes referem-se agora à figura 15, ilustrando como o CT de tensão exercido sobre a membrana varia ao longo de um eixo AM (horizontal na figura 15) direcionado ao longo de sua largura I, paralelo à direção do CT de tensão, a partir de uma borda localizada em uma posição -1/2 (à esquerda na figura 15) para a outra borda localizada em uma posição +1/2, para uma determinada pressão. A membrana 49 trabalha somente em compressão MC (isto é, a membrana não trabalha em tensão MT), que significa que níveis de tensão muito maiores do que os obtidos pelos sensores da técnica anterior podem ser obtidos na região elástica de silício.

[00107] A figura 16 mostra uma modalidade alternativa do sensor de acordo com a invenção em que a membrana sensível 49 é conectada à parede lateral 56 do primeiro substrato 25 do chip através de arcos 54 formados na cavidade 9. Estes arcos formam reforços que permitem que a membrana 49 aumente sua resistência às tensões mecânicas que ela sofre.

[00108] Estes arcos 54 conectam as paredes internas da cavidade 9 à parede inferior 4 da membrana 49, e são perfiladas em uma direção substancialmente paralela ao comprimento L da membrana.

[00109] O raio de curvatura R dos arcos 54 pode ser igual a cerca de 50 micrometros.

[00110] De acordo com outra modalidade, mostrada na figura 17, a distância d entre primeiramente cada lado longo L da membrana 49 e em segundo lugar o lado lateral esquerdo 26 da parede do substrato de silício 25 ao qual ela é conectada é relativamente pequena. A distância d está, por exemplo, entre cerca de 100 micrometros e 1 milímetro, e menos do que três vezes a altura da cavidade. Nesta configuração, o chip não tem nenhuma ranhura. O arranjo é de modo que a pressão P é transmitida para a membrana pelos lados laterais exter-nos 26 que formam os lados longos do chip. Nesta outra modalidade, os lados laterais externos 26 do chip de MEMS conectado aos lados longos da membrana sensível 49 atuam como paredes laterais 56 (as paredes laterais não são mais criadas pelas ranhuras 51) e transmitem uma força de compressão à membrana sob o efeito da pressão externa.

[00111] Neste exemplo de modalidade, as ranhuras no chip são evitadas enquanto beneficiando-se de uma membrana que trabalha somente em compressão. Este efeito é controlado ajustando a relação entre a altura das paredes laterais 56 e a altura da cavidade 9 (ou a espessura da membrana).

[00112] A figura 18 mostra o circuito de detecção de tensão 31 na membrana 49. Dito circuito compreende um arranjo de ponte de Wheatstone, compreendendo os componentes piezorresistivos 5a, 5b, também denominados piezorresistores ou calibres de tensão cujas resistividades variam quando eles são submetidos a tensões mecânicas.

[00113] De acordo com a invenção, os calibres de tensão 5a, 5b são posicionados no centro da membrana, área de tensão máxima, a fim de obter um sinal de saída forte a partir da ponte.

[00114] Como mostrado previamente na figura 7, os requerentes observam que o fator de calibre de silício depende da temperatura, que leva, para uma ponte alimentada por uma voltagem fixa, a uma voltagem de saída de ponte não somente dependente da pressão, mas também sobre a temperatura, um efeito conhecido como uma deriva térmica da sensibilidade do sensor.

[00115] Os piezorresistores podem ser altamente dopados a fim de limitar este efeito perturbador.

[00116] No entanto, esta dopagem reduz a sensibilidade à pressão dos elementos sensíveis, o valor transversal e longitudinal absoluto do fator de calibre sendo menor em altas concentrações de dopagem.

[00117] Outra abordagem consiste em alimentar a ponte com corrente. A perda de sensibilidade da ponte de calibre referente ao aumento de temperatura pode de fato ser compensada aumentando a voltagem de suprimento de ponte.

[00118] Uma concentração de dopagem é, portanto, escolhida de modo que a sensibilidade térmica da resistividade de silício dopado compensa tão proximamente quanto possível a sensibilidade térmica de seu fator de calibre.

[00119] A figura 19 dá valores de sensibilidade térmica de resistividade e de efeito piezorresistivo ΔR (em ppm/θC) registrados experimentalmente, mostrando que para uma concentração de dopagem CB de cerca de 5,1019 átomos de boro por cm3, os efeitos compensam de um para outro (ponto de compensação ótimo PO). Apesar destas melhoras, no entanto, o elemento sensível retém uma sensibilidade térmica residual de cerca de 1%, que deve ser compensada a fim de alcançar os níveis mais altos de desempenho metrológico esperados (precisão de cerca de 0,01%).

[00120] O método proposto é colocar um ou mais detectores de temperatura de resistência (RTDs) 55a, 55b produzidos com a mesma pastilha de silício como os piezorresistores 5a, 5b, no mesmo chip e próximo à ponte de calibre,

[00121] Esta solução integra-se facilmente no processo de fabricação de chip, sem aumentar o custo uma vez que nenhuma etapa é adicionada.

[00122] Uma solução conhecida para reduzir a sensibilidade térmica residual do elemento sensível consiste em colocar um detector de temperatura de resistência na armação rígida do chip de MEMS, longe das tensões de membrana.

[00123] A abordagem é satisfatória para sensores de baixa faixa de pressão, mas demonstra problemas em alta pressão. Para pressões de várias centenas de bares, de fato, a tensão sobre a armação não pode mais ser negligenciada e os efeitos dos piezorresistores aparecem nos detectores de temperatura de resistência.

[00124] De acordo com a invenção, os detectores de temperatura de resistência (RTD) 55a, 55b são posicionados ao longo de um eixo cristalino cujo fator de calibre é zero. Neste caso, os detectores 55a, 5b são posicionados longitudinal ao eixo cristalino <100>.

[00125] Além disso, de acordo com a invenção, e com referência à figura 20, os detectores de temperatura de resistência (RTD) 55a, 55b tomam uma geometria especial, na forma de uma pluralidade de divisas conectadas juntas em suas extremidades laterais.

[00126] Através deste arranjo, e como mostrado na figura 6, os fatores de calibre longitudinais e transversais são zero no eixo cristalino <100>. Isto minimiza a sensibilidade à pressão dos detectores de temperatura de resistência (RTD) 55a, 55b.

[00127] A pressão e a temperatura da resposta de ponte e dos detectores 55a, 55b são calibrados para compensar os efeitos térmicos e alcançar a precisão de 0,01%, um valor que é bem maior do que aquela no estado atual da técnica.

[00128] Os requerentes referem-se agora à figura 21, que é uma representação diagramática do processo de fabricação de chip de acordo com a invenção. Este tipo de processo inclui as seguintes etapas:

[00129] • Etapa 1: dopar uma pastilha de Silicon On Insulator (SOI), por exemplo, com boro para dopagem de calibres tipo P, por implantação iônica;

[00130] • Etapa 2: produzir os piezorresistores e os RTDs por fotolitografia da camada fina de silício monocristalino;

[00131] • Etapa 3: isolar contra corrosão a camada de silício por oxidação térmica;

[00132] • Etapa 4: abrir os contatos dos detectores, realizar a depo sição e a foto litografia do metal para fazer as conexões entre a ponte e os contatos elétricos;

[00133] • Etapa 5: formar a membrana por "DRIE" (ataque químico de íon reativo profundo). A espessura da membrana é controlada para obter a faixa de pressão requerida;

[00134] • Etapa 6: formar as ranhuras por DRIE sobre o lado frontal para definir estruturas de compressão lateral;

[00135] • Etapa 7: criar a estrutura de desacoplamento com cavilha central por microcorrespondência DRIE de outra pastilha de silício;

[00136] Etapa 8: montar as duas pastilhas usando uma pastilha de vidro e uma ligação eletrostática sob vácuo. As cavidades são, portanto, feitas coletivamente.

[00137] • Etapa 9: testar a pastilha eletricamente, sob ponto, e cor tar dita pastilha com uma serra de diamante. Os chips estão prontos para montagem na caixa de sensor.

[00138] Como explicado anteriormente, a ponto de Wheatstone é conectada diretamente ao dispositivo de aquisição de dados através do meio de conexão 41 composto de elementos condutores tais como cilindros de metal que transitam através da passagem de alimentação de pressão e que conectam a saída da ponta na entrada do amplificador diferencial integrada no dispositivo de processamento de dados.

[00139] Uma vez que as faixas de operação na saída da ponte são diferentes das na entrada do conversor analógico-digital, a voltagem de saída de circuito de detecção de tensão deve ser adaptada para a voltagem de entrada de conversor. A adaptação é realizada tradicionalmente usando um amplificador diferencial.

[00140] De acordo com a invenção, o circuito de detecção de tensão, compreendendo a ponte de Wheatstone, é desequilibrado, de modo que a faixa de voltagem de saída da ponte para uma pressão correspondendo à pressão no fundo do poço corresponde a uma voltagem próxima a zero.

[00141] Com este arranjo, um ganho alto pode ser usado no amplificador sem saturação na saída, deste modo usando toda a faixa do conversor de dispositivo de aquisição de dados na zona de medição útil.

[00142] Tipicamente, o desvio da ponte inicial é obtido trocando deliberadamente as dimensões dos resistores longitudinais com respeito aos resistores transversais.

[00143] O desequilíbrio da ponte é usado para adaptar a faixa de saída da ponte à faixa de entrada de voltagem do dispositivo de aquisição de dados para uma faixa de pressão predefinida.

[00144] Esta adaptação otimiza o desempenho do sistema de aquisição de dados em uma faixa de pressão em torno da pressão no fundo do poço e, portanto, melhor a precisão de amostragem dos valores a partir da ponte em torno da faixa de medição útil.

[00145] Por exemplo, se o conversor analógico-digital tem uma referência de saída de 1 volt, e se o chip de MEMS tem uma sensibilidade de 2,5 mV/MPa (0,25 mV/bar) e uma voltagem de saída da ponte, para uma pressão de 100 MPa (1.000 bares), igual a 0, o desvio tornará possível aplicar um fator de ganho de 40 sobre o amplificador de entrada, portanto, cobrindo com altas pressões de resolução de 90 MPa(900 bares) a 110 MPa (1.100 bares), correspondendo aos valores de referência no fundo do poço e, deste modo, melhorando a precisão de amostragem para esta faixa de valor.

[00146] A figura 22 proporciona uma descrição esquemática da voltagem de desequilíbrio da ponte TD como uma função da pressão PR para o chip de MEMS otimizado. Altos níveis de ganho podem, portanto, ser usados para o circuito de interface, e o sinal para relação de ruído dos eletrônicos pode ser aumentado. Na figura 22, SM representa o sinal máximo em ruptura, OI é o desvio inicial, PM a pressão máxima, PP a pressão no poço, GOC a faixa de medição de pressão total, GHR a faixa de medição de pressão em alta resolução, e GTS a faixa de resistência de excesso de pressão.

[00147] Usando esta abordagem, uma resolução de cerca de 0,1 ppm pode ser obtida na faixa de interesse, muito maio do que a técnica anterior. O desequilíbrio de ponte é obtido ajustando a geometria dos calibres longitudinais com respeito aos calibres transversais.

[00148] Além disso, para limitar o consumo elétrico do sensor devido em particular à temperatura, medições de pressão e para comunicação destes dados, o sensor de acordo com a invenção é projetado para tomar medições descontinuas durante períodos de tempo limitados, preferivelmente menos do que um segundo.

[00149] De acordo com a invenção, os requerentes identificam dois modos de operação de sensor, um modo normal e um modo "prontidão", a ser escolhido pelo usuário.

[00150] No modo de operação normal, o sensor é programado para tomar as medições de temperatura e pressão de segundo em segundo.

[00151] Quando o usuário escolhe uma frequência de medição mais baixa, isto é, um período mais longo T, o sensor é comutado para modo "prontidão", isto é, ele não tomará nenhuma medição durante um período T igual a (T-1) segundos, então tomará as medições necessárias durante o último segundo de período T.

[00152] A autonomia do sensor localizado no fundo do poço é, portanto, maior, que significa que a alimentação de bateria é recarregada menos frequentemente.

[00153] Além disso, para minimizar o consumo elétrico do element sensível, os piezorresistores devem ter um valor alto.

[00154] A energia dissipada é expressa pela relação P= V2/R, que, com uma voltagem de 1 volt e um objetivo de consumo de energia de 100 micro Watt, dá uma resistência da ponte de 10 kOhm. Uma vez que os níveis de dopagem objetivados são relativamente altos pelas razões explicadas anteriormente, resistores extremamente alongados, tipicamente uma relação de comprimento para largura de cerca de 100, são requeridos. A geometria de ponte, portanto, deve ser otimizada de modo que um grande número de quadrados pode ser posicionado na área de tensão máxima da membrana.

[00155] Além disso, os conectores de metal são mantidos longe das áreas de tensão da membrana para evitar problemas de histerese e de deslocamento que podem estar associados com a presença destes materiais relativamente instáveis próximo a elementos sensíveis.

[00156] O sensor de pressão descrito na invenção pode ser usado para registrar a pressão com uma resolução de medição muito alta, em particular na área próxima à faixa de pressão nominal do poço.

[00157] O sensor de pressão encontra uma aplicação particular, embora não limitante, no domínio de exploração, produção e transporte de petróleo e gás. Mais geralmente, o sensor de pressão pode ser usado em aplicações em ambiente hostil onde a pressão pode se estender de algumas centenas de bares para mais do que 200 MPa (2.000 bares).

[00158] O sensor de acordo coma invenção também inclui aspectos que tornam o mesmo autônomo e possibilitam que o mesmo seja operado remotamente a partir da superfície e sem qualquer intervenção humana, sob condições de operação variadas (sequências de aquisição rápidas e lentas dependendo dos fenômenos a serem observados). Além disso, o sensor pode comunicar-se em tempo real primeiramente com outros sensores e em segundo lugar com a superfície, para ajustar as operações a serem realizadas no poço de acordo com os fenômenos observados no fundo.

[00159] Obviamente, a invenção não é limitada aos tipos de modalidades deste sensor de pressão, descritas acima como exemplos, mas, ao contrário, ela engloba todas as variantes.

Claims

1. Sensor de medição de pressão de fluido (11) que é pretendido para uso sob condições de pressão extrema, como as encontradas em poços, que compreende um chip de sistema microeletromecânico MEMS (23), caracterizado pelo fato que: o chip de MEMS (23) compreende duas paredes laterais (56), uma membrana sensível (49) conectada a ditas paredes laterais (56) e uma cavidade vedada (9); as superfícies exteriores das paredes laterais (56) e a membrana sensível (49) são expostas à pressão de fluido; as paredes laterais (56) são projetadas para submeter a membrana sensível (49) a uma tensão de compressão transmitido pelas paredes laterais opostas (56) onde ditas paredes laterais (56) são conectadas à membrana sensível (49) de modo que a membrana sensível (49) trabalha em compressão somente; e o chip de MEMS (23) também compreende um circuito de detecção de tensão (31) para medir o estado de compressão da membrana sensível (49) que é proporcional à pressão de fluido.

2. Sensor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a membrana sensível (49) apresenta uma forma retangular que compreende dois lados longos (L), e em que as duas paredes laterais (56) opostas conectadas à membrana sensível (49) por seus dois lados longos (L) são projetadas para submeter a membrana sensível (49) a uma tensão de compressão em uma direção perpendicular aos lados longos (L).

3. Sensor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a cavidade (9) é preenchida com um gás cuja pressão de referência é menor do que a pressão de fluido.

4. Sensor de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as duas paredes laterais (56) são formadas pelas ranhuras (51) cortadas em um substrato do chip de MEMS (23).

5. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a membrana sensível (49) é conectada ao chip de MEMS (23) através de arcos (54) cujo raio de curvatura ® é igual a cerca de 50 micrometros.

6. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a membrana sensível (49) apresenta uma forma retangular cujo comprimento (L) é maior do que duas vezes a largura (I).

7. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o circuito de detecção de tensão (31) compreende calibres transversais (5 a) e longitudinais (5b) posicionados no centro da membrana sensível (49).

8. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o chip de MEMS (23) compreende pelo menos um detector de temperatura de resistência (55a, 55b) projetado para medir o efeito da temperatura orientada ao longo de um eixo cristalino para o qual os fatores de calibres longitudinais e transversais são zero.

9. Sensor de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os detectores de temperatura de resistência (55a, 55b) tomam a forma de uma pluralidade de divisas conectadas juntas em suas extremidades laterais.

10. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o chip de MEMS (23) é anexado, através de uma superfície de contato (34) de área menor do que o chip de MEMS (23), a um corpo de sensor.

11. Sensor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que dita superfície de contato (34) entre o chip de MEMS (23) e o corpo de sensor compreende um cavilha central (37) e uma borda periférica (35), a área de dita superfície de contato entre o chip de MEMS (23) e o corpo de sensor sendo menos do que 50% da área do chip de MEMS (23).

12. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o circuito de detecção de tensão (31) compreende um arranjo de ponte de Wheatstone, dito circuito sendo desequilibrado de modo que uma faixa de saída de voltagem da ponte, para uma pressão correspondendo à pressão de fundo de poço, corresponde a uma voltagem próxima a zero.

13. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que um valor de referência da saída do circuito de detecção de tensão (31) corresponde a uma origem de uma faixa de entrada de um dispositivo de processamento de dados (70) conectado ao chip de MEMS (23).

14. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que uma passagem de alimentação de pressão (45) disposta entre o alojamento de corpo e um elemento de suporte do chip de MEMS (23), dita passagem de alimentação de pressão compreendendo pelo menos um elemento condutor (41) projetado para permitir uma conexão elétrica entre um dispositivo de processamento de dados (70) e o chip de MEMS (23).

15. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a membrana sensível (49) é submetida à pressão do fluido a ser medido por outro fluido inerte (17) separado do primeiro fluido por um diafragma (24) de proteção deformável.

16. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, 5 a 15, caracterizado pelo fato de que os lados longos de comprimento (L) da membrana sensível (49) são separados a partir das paredes laterais externas (26) do chip de MEMS (23) por uma distãncia (d) de entre cerca de 100 micrometres e 1 milímetro.

17. Sensor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que a altura das paredes laterais (56) é pelo menos cinco vezes mais do que uma espessura da membrana sensível (49) e uma espessura das paredes laterais (56) cerca de três vezes menos do que dita altura.

18. Sonda de medição de pressão de fluido (80), caracterizada pelo fato de que compreende um sensor de medição de pressão de fluido (11) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 17.