CN104011565A - 通过离子注入制成的晶体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生产晶体传感器的方法。该方法包括选择被配置用于感测感兴趣的性质的晶体。该方法还包括使用离子注入将离子注入晶体内以在晶体内产生导电区，其中该导电区能够提供用于感测感兴趣的性质的信号。本发明还公开了一种用于使用穿过地表的钻井内的晶体传感器来估计感兴趣的性质的方法和装置。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求在2011年11月30日提交的美国专利申请No.13/307801的优先权，该申请通过引用全文并入本申请。
背景技术
已知晶体传感器在地表(earth)钻探行业中能够深入钻井(borehole)内描述流体的特征。在一个实例中，挠性机械谐振器由形状为具有两个或更多个电极的音叉的压电晶体制成。通过以一个或多个频率对电极施加交变电压，挠性机械谐振器在具有与流体特性相关的电阻抗的感兴趣的流体内谐振。已知如何使测得的阻抗与流体特性(例如，密度、粘度和介电常数)相关联。
这两个或更多个电极典型地被沉积于压电晶体的表面上。遗憾的是，这样的晶体传感器会由于暴露于高温(例如，200℃或更大)、高压下的流体以及能够侵蚀它的化学物质而失效。为了给电极提供一定级别的保护，某些晶体传感器包括在电极之上的电介质材料的保护薄层。但是，保护薄层同样会失效，这又会导致电极暴露于流体。因此，绕过能够提高晶体传感器的可靠性，则在钻探行业内是普遍接受的。
发明内容
本申请公开了一种用于生产晶体传感器的方法。该方法包括选择被配置用于感测感兴趣的性质的晶体。该方法还包括使用离子注入将离子注入晶体内以在晶体内产生导电区，其中该导电区能够提供用于感测感兴趣的性质的信号。
本发明还公开了一种用于估计感兴趣的井下性质的方法。该方法包括：通过穿过地表的钻井来输送载体；安放布置于载体上的晶体使其与 感兴趣的性质通信，该晶体具有在晶体内的导电区，该导电区通过离子注入来产生并且被配置用于提供与所述性质相关的信号；以及使用该信号来估计性质。
本发明还公开了一种用于估计感兴趣的井下性质的装置。该装置包括：被配置用于通过穿过地层的钻井输送的载体；被布置于载体上的且被配置用于与感兴趣的性质通信的晶体，该晶体具有在晶体内的导电区，该导电区通过离子注入来产生并且被配置用于提供与所述性质相关的信号；以及被配置用于接收用来估计性质的信号的处理器。
附图说明
下面的描述不应被看作为任意形式的限制。参照附图，类似的元件以相似的方式来编号：
图1示出了具有布置于穿过地表的钻井内的晶体传感器的井下工具(downhole tool)的示例性实施例；
图2A和图2B(共同称为图2)示出了作为挠性机械谐振器的晶体传感器的各方面；
图3示出了代表挠性机械谐振器的等效电路的各方面；
图4示出了为了创建晶体传感器而在晶体内注入离子的各方面；
图5是用于使用离子注入来生产晶体传感器的方法的流程图；以及
图6是用于估计钻井内的感兴趣的性质的方法的流程图。
具体实施方式
关于所公开的装置和方法的一种或多种实施例的详细描述在此将参照附图以示例性的而非限制性的方式来给出。
图1示出了布置于穿过地表3的钻井2内的井下工具10的示例性实施例，该地表3包括地层4。地层4代表感兴趣的任何地下材料，例如，地层流体。井下工具10通过载体5来输送穿过钻井2。在图1的实施例中，载体5是铠装电线(armored wireline)6。除了支持钻井2内的井下工具10之外，电线6还能够提供在井下工具10与布置于地表3 的表面的计算机处理系统8之间的通信14。通信能够包括将测量数据沿钻井向上发送到系统8或者将命令沿钻井向下发送到工具10。在随钻测井(LWD)或随钻测量(MWD)的实施例中，载体5能够是钻孔索(drill string)。为了操作井下工具10和/或提供与地面计算机处理系统8的通信接口，井下工具10包括井下电子器件7。
仍然参照图1，井下工具10被配置用于使用晶体传感器9来执行对感兴趣的井下流体的性质的测量。感兴趣的流体能够是从地层4中提取出的地层流体或者存在于钻井2内的钻井流体。为了从地层4中提取地层流体，井下工具10包括地层流体测试仪11。地层流体测试仪11被配置用于从测试仪11延长探针12，以与钻井2的井壁一起密封。支撑物(brace)13可以延长以便使探针12与井壁保持接触。然后降低探针12内的压力以促使地层流体的样本流入测试仪12内。一旦从地层4中提取到样本，晶体传感器9就被浸入样本内以执行对流体样本的性质的测量。在另一种实施例中，井下流体的样本被从钻井2中提取出，并且晶体传感器9被浸入该样本内以测量钻井流体的性质。
现在可以参照图2，该图示出了晶体传感器9的一种实施例的各方面。在图2的实施例中，晶体传感器9是压电挠性机械谐振器20，该谐振器20可以称为压电谐振器20。压电谐振器20由压电晶体制成，并且具有配置用于在感兴趣的流体内谐振或振动的形状。在非限制性的实施例中，压电晶体是石英晶体。在图2A所示的实施例中，压电谐振器20被成形为具有第一叉齿21和第二叉齿22的音叉(tuning fork)，这两个叉齿按谐振频率谐振。嵌于每个叉齿内的是第一电极23、第二电极24、第三电极25和第四电极26。电极一般按照这样的方式来定位：晶体叉齿的变形在电场被施加于电极时发生。图2B示出了用于描绘电极23-26的布局的石英音叉的端视图。因为电极23-26是导电的，所以它们可以分别称为导电区23-26。导电区23-26具有较高的电导率，使得压电晶体在电压被施加于适当的电极时导致压电晶体内的电场。压电谐振器20将会按一定频率/响应于由电极23-26施加于压电晶体的电刺激而机械性弯曲(即，谐振或振动)。电刺激由井下电子器件7经由接触 焊盘27和28施加于电极23-26。一般地，当导电区位于晶体基质的表面之下时，接触焊盘凹入晶体基质之内。可以意识到，具有各种形状及适当的电极布局的其他类型的压电晶体可以用于各种操作模式(例如，纵向模式、厚度剪切模式、挠曲模式和面剪切模式)的晶体传感器9中。例如，在一种或多种实施例中，晶体传感器9可以每次具有两个电极，并且压电晶体能够是铌酸锂(LiNbO3)。压电晶体的其他非限制性实施例包括锆钛酸铅(PZT)、钽酸锂、硼酸锂、块磷铝矿、砷化镓、四硼酸锂、磷酸铝、锗酸铋、多晶钽酸锆陶瓷、高氧化铝陶瓷、硅锌氧化物复合物和酒石酸二钾。
当具有扫描频率的电压被施加于一对电极时，电场被创建于压电材料20内，从而促使压电谐振器20按与感测部分浸入于其内的流体的性质相关的谐振频率及谐振因子Q谐振或振动。压电谐振器20的谐振促使压电谐振器20浸入其内的流体位移或者运动，从而使谐振器20与该流体耦合。也就是，流体在压电谐振器20谐振时会经历交替的位移或运动。在性质的感测期间，一对电极由于谐振或振动而呈现出电阻抗，称为运动阻抗。运动阻抗具有与感兴趣的流体的机械的、物理的或电的性质相关的值。性质的非限制性实例包括温度、压力、密度、粘度和介电常数。虽然按谐振频率的阻抗测量可以给出具有较高信噪比的信号，但是测量还能够按其他频率执行。
图3示出了代表压电谐振器20的等效电路，其中Zf(Zf＝Rf+iXf)代表感兴趣的流体的运动阻抗，并且从而代表感兴趣的流体的机械性质。Cp是并联电容。R0、L0和Cs是用于模拟压电谐振器的机电谐振的等效的串联电阻、电感和电容。它们在机械的谐振器模型中分别对应于摩擦、质量和柔度。R0是谐振器的摩擦项，包括电阻和机械摩擦。对于Rf的灵敏测量，电阻R0应当在Rf的量级上或小于Rf。在音叉谐振器的一种实施例中，R0约为10ΚΩ，主要来自机械摩擦，而Rf至少为10ΚΩ的量级。从而，用于提供电极的导电区被配置用于提供量级为10ΚΩ或更小的总电阻。
为了防止流体例如通过磨损或化学侵蚀而破坏导电区23-26，导电 区23-26通过离子注入嵌入压电晶体之内。也就是，导电区23-26被沉积于压电晶体的内部，使得导电区23-26由压电晶体包封或包围。可以意识到，离子注入排除了电极被布置于压电晶体的表面上并且随后被保护层所覆盖，该保护层在井下环境中可能是不可靠的。图4示出了压电晶体的离子注入的各方面。离子发生器41生成用来掺杂晶体基质以形成导电区23-26的材料(即，掺杂物)的离子40。离子加速器42将所生成的离子加速到高能或高速。高能离子然后撞击晶体并嵌入晶体之内。掺杂物的穿透深度取决于晶体材料、掺杂物以及掺杂离子被加速达到的能量。在一种或多种实施例中，掺杂离子被加速达到范围为几keV至几MeV的能量，这样的能量会在石英晶体内导致约为小于1nm至10μm或更大的穿透深度。
导电区23-26的期望电导率能够通过点缺陷(例如，氧空位)的引入、外源性原子的引入或者因离子注入所致的结构破坏(无定形化(amorphizaton))而达到。晶格的改变包括：形成晶格结构中的电子或空穴的禁带能隙内的深或浅能级缺陷和/或压电晶体内的导电层的相位分离。当晶体材料以施主或受主杂质来掺杂时，杂质能级被引入价带与导带之间。所添加的杂质原子修改了费米能级(Fermi level)。当费米能级接近于导带或价带时，热激发的电子或空穴能够是具有高电导率的载流子。通过控制入射离子的能量和离子剂量(即，注量)，特定的组成或缺陷分布会产生于晶体内，以创建导电区。被注入的导电区相对于晶体基质将具有不同的电性质。导电区的所期望的几何和/或电特性能够通过按照使用光刻技术(例如，在半导体和集成电路的制造中使用的那些技术)制成的掩模来注入掺杂离子而实现。
可以意识到，导电区23-26相对于晶体能够是导电的或半导电的，取决于导电区的几何形状、掺杂物离子材料以及晶体材料。半导电的导电区将传导电子或空穴，只要电子或空穴接收到足够的能量以跨越价带与导带之间的能隙，从而成为自由的电子或空穴。因此，在室温下可为非导电性的导电区在出现于井下环境的周围高温(例如，200℃或更高)下可以是导电的。
可以意识到，各种类型的离子掺杂物都可以使用，取决于待在导电区内获得的期望的电特性以及晶体基质材料的类型。待注入晶体内的离子物质的非限制性实施例包括砷、磷、硼、二氟化硼、铟、锑、锗、硅、氮、氢和氦。
在一种或多种实施例中，在掺杂离子被注入之后，压电晶体可以被“退火”。“退火”涉及将被注入的晶体加热到使得所产生的间隙掺杂物离子的振动促使这些掺杂物离子“颤动”到晶格结构中的晶格位置内的高温。从而，热退火可以增加破坏或掺杂物分布，并且在晶体基质内引起局部再结晶。在一种或多种非限制性的实施例中，被掺杂的晶体的热退火在700℃-800℃的温度范围内执行。
为了防止所注入的离子从基质晶体内“泄漏出”，在一种或多种实施例中能够使用诸如化学气相沉积(CVD)或分子束外延(MBE)之类的方法在离子注入区的顶部生长更多的晶体材料。
如图2所示，每个导电区都包括用于连接至井下电子器件7的接触焊盘。在一种或多种实施例中，接触焊盘通过从晶体基质中去除晶体材料并且将金属层沉积于相应的导电区的一部分上来形成。作为非限制性的实例，晶体材料能够通过钻孔或蚀刻来去除。在一种或多种实施例中，离子束混合被用来增强电导率以及在每个接触焊盘的金属层与晶体基质之间的附着力。在离子束混合中，与用于离子注入的图4所示的装置类似的装置被用来以离子辐射轰击每个金属层，以便促进金属层材料和导电区材料在界面处的混合。
可以意识到，虽然晶体传感器9在一种或多种实施例中如同上文所讨论的那样被配置为挠性机械谐振器，但是在其他实施例中，晶体传感器9还能够具有其他配置。在一种或多种实施例中，晶体传感器9被配置为厚度剪切模式(TSM)谐振器、机械谐振器、弯条机谐振器、弯盘机谐振器、悬臂谐振器或扭转谐振器。一般地，TSM谐振器测量感兴趣的流体的粘度密度乘积。在一种或多种实施例中，晶体传感器9被配置用于测量温度。作为温度传感器，导电区作为半导体来操作，使得温度的升高导致自由的电子或空穴增加。自由的电子或空穴的增加会改变 导电区的电特性，该电特性的变化能够相关联于温度变化或者校准为温度变化。在一种或多种实施例中，晶体传感器9被配置用于测量力、加速度、应力或应变。在这些实施例中，所测量的性质促使晶体的晶格畸变或者弹性变形，这进而导致一个或多个导电区的电特性变化。电特性的变化能够相关联于导致晶格畸变或弹性变形的感兴趣的性质或者校准为该性质。在一种或多种实施例中，晶体传感器9能够被配置用于通过检验质块(proof mass)与晶体进行耦合来测量重力加速度，该晶体传感器9能够被成形为例如悬臂。在这些重力仪的实施例中，作用于检验质块上的重力促使晶格弹性变形(即，悬臂弯曲)，从而导致导电区的电特性改变。
可以意识到，在谐振器内不需要使用压电晶体材料的晶体传感器9的实施例中，在非限制性的实施例中也能够使用其他类型的晶体材料，例如硅。
可以意识到，来自晶体传感器9的输出能够相关联于通过针对已知的参考标准进行分析和/或校准而感测或测量的感兴趣的性质。
图5给出了用于生产晶体传感器的方法50的一个实例。方法50要求(步骤51)选择被配置用于感测感兴趣的性质的晶体。步骤51能够包括选择适当的形状和/或晶体材料(例如，压电晶体材料)，用于感测感兴趣的性质。此外，方法50要求(步骤52)使用离子注入将具有适当能量的离子注入晶体内，以在晶体内产生导电区，其中该导电区能够提供用于感测感兴趣的性质的信号。步骤52能够包括选择适当的离子掺杂物，用于提供用于感测感兴趣的性质的期望电特性。此外，方法50还要求(步骤53)对被离子注入的晶体进行热退火。此外，方法50还要求(步骤54)将金属层施加于导电区以创建接触焊盘，并且然后使用离子束混合来混合金属层与导电区之间的原子或分子。
图6给出了用于估计感兴趣的井下性质的方法60的一个实例。方法60要求(步骤61)通过穿过地表的钻井来输送载体。此外，方法60还要求(步骤62)安放布置于载体上的晶体使其与感兴趣的性质通信，该晶体包括在晶体内的导电区，该导电区通过离子注入来产生并且被配 置用于提供与该性质相关的信号。此外，方法60还要求(步骤63)使用信号来估计该性质。
在对本申请的教导的支持下，各种分析构件都可以使用，包括数字和/或模拟系统。例如，井下电子器件7或表面计算机处理8可以包括数字和/或模拟系统。该系统可以具有诸如处理器、存储介质、存储器、输入、输出、通信链路(有线的、无线的、脉冲泥浆(pulsed mud)、光学的或其他)、用户界面、软件程序、信号处理器(数字或模拟)之类的构件以及其他此类构件(例如，电阻器、电容器、电感器及其他)，用于按照本技术领域所熟知的若干方式中的任一方式来提供本申请所公开的装置和方法的操作和分析。应当认为，这些教导可以(但不一定)结合存储于包括存储器(ROM、RAM)、光学的(CD-ROM)或磁的(磁盘、硬盘)或任何其他类型存储介质在内的计算机可读介质上的非瞬态计算机可执行指令集来实现，所述指令集在执行时会促使计算机实现本发明的方法。除了本公开内容所描述的功能外，这些指令还可以提供设备操作、控制、数据收集和分析以及系统设计者、所有者、用户或其他此类人员认为相关的其他功能。
此外，还可以包括及调用各种其他构件，用于提供本申请的教导的各个方面。例如，可以包含电源(例如，发电机、远程供电和电池中的至少一个)、冷却构件、加热构件、磁体、电磁体、传感器、电极、发射器、接收器、收发器、天线、控制器、光学单元、电学单元或机电单元，以支持本申请所讨论的各个方面或者支持本公开内容之外的其他功能。
本申请所使用的术语“载体”意指可以用来传送、容纳、支撑或者(否则的话)促进另一器件、器件构件、器件的组合、介质和/或部件的使用的任何器件、器件构件、器件的组合、介质和/或部件。其他示例性的非限制性载体包括盘管型的、接合管型的及任意组合的钻孔索或者它们的一部分。其他载体实例包括套管、电线，电线探棒、钢丝绳探棒、熔滴弹丸(drop shot)、井底组件、钻孔索插入物、模块、内部外壳以及他们的基板部分。
实施例的要件已经通过冠词“一(a)”或“一个(an)”进行了引入。这些冠词意指存在一个或多个要件。术语“包括”和“具有”意指为包容性的，使得可以存在除了所列出的要件外的其他要件。连接词“或”在用于至少两项的列表时意指任一项或那些项的组合。术语“第一”和“第二”被用来区分要件，而不是用来表示特定的顺序的。术语“耦合”涉及将第一构件与第二构件直接地或者通过中间构件间接地耦合。
应当意识到，各种构件或技术都可以提供某些必要的或有益的功能或特征。因此，这些为支持所附权利要求及其变型所需的功能和特征被认为是固有地包含的，作为本申请的教导的一部分以及所公开的本发明的一部分。
虽然本发明已经参照示例性的实施例进行了描述，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，各种改变均可以进行，并且等同物可以代替其要件。另外，在不偏离本发明的主旨范围的情况下，还应当想得到用于使特定的仪器、情况或材料适合于本发明的教导的许多修改。因此，本发明并非意指限定于所公开的作为为实现本发明所能想到的最佳模式的特定实施例，而是本发明应当包括所有落入所附权利要求的范围之内的实施例。
Claims (21)
1.一种用于生成晶体传感器的方法，所述方法包括：
选择被配置用于感测感兴趣的性质的晶体；以及
使用离子注入将离子注入所述晶体内以在所述晶体内产生导电区，所述导电区能够提供用于感测所述感兴趣的性质的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述晶体是压电晶体。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述压电晶体包括石英、锆钛酸铅PZT、铌酸锂、钽酸锂、硼酸锂、块磷铝矿、砷化镓、四硼酸锂、磷酸铝、锗酸铋、多晶钽酸锆陶瓷、高氧化铝陶瓷、硅锌氧化物复合物或酒石酸二钾。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述导电区包括至少一个电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述至少一个电极包括彼此电绝缘的两个或更多个电极。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述压电晶体具有被配置用于在交变电压按照一个或多个频率施加于所述两个或更多个电极时在流体内谐振的形状。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述形状包括音叉。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：去除晶体材料以到达所述导电区的一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：将金属层施加于所述导电区的所述部分以形成接触焊盘。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：使用离子束混合将所述金属层附着于所述导电区的所述部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中注入离子包括所述晶体的热退火。
12.根据权利要求1所述的方法，其中注入离子包括使用光刻来产生掩模并且根据所述掩模来执行所述离子注入。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：将材料与所述晶体相同的一个或多个晶格层施加于所述晶体的表面上，其中通过所述晶体的所述表面进行了所述离子注入。
14.一种用于估计感兴趣的井下性质的方法，所述方法包括：
通过穿过地表的钻井来输送载体；
安放布置于所述载体上的晶体使其与所述感兴趣的性质通信，所述晶体包括在所述晶体内的导电区，所述导电区通过离子注入来产生并且被配置用于提供与所述性质相关的信号；以及
使用所述信号来估计所述性质。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：对所述导电区施加电压。
16.一种用于估计感兴趣的井下性质的装置，所述装置包括：
被配置用于通过穿过地层的钻井来输送的载体；
布置于所述载体上的且被配置用于与所述感兴趣的性质通信的晶体，所述晶体包括所述晶体内的导电区，所述导电区通过离子注入来产生并且被配置用于提供与所述性质相关的信号；以及
被配置用于接收所述信号以估计所述性质的处理器。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述导电区包括电极。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述晶体被配置用于在交变电压被施加于所述电极时于流体内振动。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述晶体是压电晶体。
20.根据权利要求16所述的装置，其中所述导电区被配置用于在所述导电区接收到与感测所述感兴趣的性质相关的能量时传导电荷以便估计所述感兴趣的性质。
21.根据权利要求16所述的装置，其中所述载体包括电线、钢丝绳、钻孔索或盘管。
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