CN104040315B - 流体压力传感器以及测量探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体压力测量传感器(11)，它包括微机电系统(MEMS)芯片(23)。该MEMS芯片(23)包括：两个侧壁(56)；灵敏隔膜(49)，该灵敏隔膜与所述侧壁(56)连接；以及密封空腔(9)。侧壁(56)和灵敏隔膜(49)的外表面暴露于流体压力中。侧壁(56)设计成使得灵敏隔膜(49)受到由相对侧壁(56)传递的压缩应力，其中，所述侧壁(56)与灵敏隔膜(49)连接，以使得灵敏隔膜(49)只在压缩中工作。MEMS芯片(23)还包括应力检测电路(31)，以便测量灵敏隔膜(49)的压缩状态，该压缩状态与流体压力成比例。

Description

流体压力传感器以及测量探针

技术领域

本发明涉及一种流体压力传感器。

更具体地说，根据本发明的压力传感器将在极端压力条件下使用，例如在井中遇到的压力条件，例如在油和天然气的勘探、生产和输送的过程中。通常，对于这些用途，压力可以从几百巴直到超过2000巴。

背景技术

对于像这些一样极端的操作条件，当前用于压力测量的技术非常有限，并基于使用由高强度钢合金例如因科镍合金或石英来制造的宏观机械部件，与复杂的制造技术相关联。因此，市场上可获得的高压探针较大(通常几十厘米长)、昂贵和只提供有限的特征。

井下仪器要求的重要特征是由于在钻井、生产或激发操作过程中要被评估的大部分现象可能与在非常高的标称压力值(如前所述)周围的很小变化相关。

近来在硅和微电子行业中的突破已经导致微型化压力传感器的发展。该技术的主要优点是灵敏元件由硅晶片批量地制造，以便低成本地产生大量“芯片”。

不过，使用这种灵敏元件的传感器的性能和可靠性都有限，特别是在上述极端压力条件下。

实际上，硅是在它受到拉伸/拉紧力时非常脆弱的材料。大约1％的相对拉伸/拉紧将使得晶体破裂，因此破坏该传感器。即使对于比该限制值小的拉伸应力水平，在晶体移位中也存在位错，从而导致疲劳问题，并损坏该灵敏元件。

当硅受到压缩力时情况不同，其中，在这种情况下，材料能够在没有疲劳问题的情况下承受非常高的应力。实际上，在没有破裂危险的情况下能够接受直到大约5％的收缩。

因此，当研制传感器时，关键是优化在结构中的应力分布。该分布将确定传感器的计量性能、灵敏度、稳定性和坚固性。

根据本领域现有技术的硅压力传感器的灵敏元件在图1A和1B中表示，并包括刚性框架1，该刚性框架1在它的中心有通过微机械加工硅而产生的、减小厚度的区域，以便产生包括上部壁3和下部壁4的灵敏隔膜2。

也称为压敏电阻或量规的应力灵敏电阻器5(它包括纵向定位的两个电阻器5a和横向定位的两个电阻器5b)布置在隔膜2上，并通过连接装置6而连接在一起，以便形成Wheatstone电桥测量电路。

参考图2，图中表示了传感器的灵敏元件，该传感器有附接在其下侧的板8，从而形成在真空下的空腔9和产生绝对压力传感器。

现有技术中已知的灵敏元件的操作如下：施加在隔膜2的上部壁3上的压力作用将产生力，该力引起所述隔膜中的偏转以及在隔膜平面中的机械应力的外观偏转，它们由压敏电阻来测量。

图3表示了对于给定压力沿隔膜的轴线AM由应力CT采取的形状。

最大应力的区域出现在连接区域(在拉紧MT中在隔膜的上部壁上，在压缩MC中在它的下部壁上)以及在隔膜的中心处(在压缩MC中在上部壁上，在拉紧MT中在下部壁上)。

图4是根据现有技术的应力检测电路的示意图。

电阻器通过电触点7a和7b而由外部供给电压和电流。

灵敏元件的输出由在触点7c和7d之间的电压差Vs来确定，该电压差Vs由参考图5获得的以下关系来表示：

Vs＝1/2.V.(ΔRl/Rl-ΔRt/Rt)，

ΔRl/Rl＝GlxΔl/l，

ΔRt/Rt＝GtxΔl/l，其中：

V是电桥电源的电压；

Rl是纵向压敏电阻5a(两个纵向量规假定相同)的值，该纵向压敏电阻5a由于在隔膜上的压力作用而受到拉伸Δl/l，该拉伸定向成沿着电阻器中的电流流动轴线，而ΔRl是该电阻的值在该应力的作用下相对于在静止的隔膜位置(即没有压力)的变化。

Rt是横向压敏电阻5b(两个横向量规假定相同)的值，该横向压敏电阻5b由于在隔膜上的压力作用而受到拉伸Δl/l，该拉伸定向成垂直于电阻器中的电流流动轴线，而ΔRt是该电阻的值在该应力的作用下相对于在静止的隔膜位置(没有压力)的变化。

Gl和Gt是压敏电阻的纵向和横向量规系数。对于单晶硅，这些系数取决于方位、类型、掺杂浓度(例如硼掺杂浓度CB，单位为原子数每cm3)以及温度T(单位为摄氏度)，如图6和7中所示。

箭头标记i表示电流方向。

这种灵敏元件有以下缺点，该缺点降低了传感器的性能：

最大应力的区域集中在很小区域上，且必须相对于隔膜的连接区域的位置完美地对齐，从而使得很难定位压敏电阻以及导致信号损失；

传感器的最大允许压力受到这种因素的限制，即硅在连接区域处受到较高水平的拉紧应力。因此，灵敏度必须限制为保持低于破裂和稳定性应力水平。

发明内容

本发明的一个目的是通过设计一种完全的测量系统而克服现有技术的缺点，该测量系统更适合监测井生产和维护操作，制造便宜，并优化成在极端压力条件下获取高精度的测量值。

因此，本发明的一个方面涉及一种流体压力测量传感器，它包括微机电系统(MEMS)芯片。MEMS芯片包括：两个侧壁；灵敏隔膜，该灵敏隔膜与所述侧壁连接；以及密封空腔。侧壁和灵敏隔膜的外表面暴露于流体压力中。侧壁设计成使得灵敏隔膜受到由相对侧壁传递的压缩应力，其中，所述侧壁与灵敏隔膜连接，以使得灵敏隔膜只在压缩中工作。MEMS芯片还包括应力检测电路，以便测量灵敏隔膜的压缩状态，该压缩状态与流体压力成比例。

灵敏隔膜可以采取矩形形状，它包括两个长侧部，其中，两个相对的侧壁设计成使得灵敏隔膜受到沿与该长侧部垂直的方向的压缩应力，这两个相对的侧壁通过该灵敏隔膜的两个长侧部而与该灵敏隔膜连接。侧壁的高度可以是比灵敏隔膜的厚度大至少5倍，例如10倍。空腔可以充满气体，该气体的参考压力小于要测量的流体压力。

本发明的另一方面涉及一种探针，该探针包括这种类型的流体压力测量传感器，该流体压力测量传感器包括微机电系统(MEMS)芯片。

附图说明

通过阅读下面根据作为非限定实例给出的实施例和参考附图而进行的详细说明将清楚本发明的其它特征、目的和优点，附图中：

图1A和1B表示了根据本领域现有技术的硅压力传感器的灵敏元件；

图2是根据图1的传感器的灵敏元件的剖视图；

图3表示了对于传感器(例如在图1和2中表示的传感器)，对于给定压力而沿隔膜轴线的应力采取的形状；

图4是根据本领域现有技术的应力检测电路的示意图；

图5表示了压敏电阻根据拉伸方向的横向和纵向量规系数；

图6表示了压敏电阻根据所考虑的结晶平面的横向和纵向量规系数；

图7表示了根据所考虑的三硼掺杂浓度的、作为温度的函数的量规系数变化；

图8是根据本发明第一实施例的压力传感器的分解图；

图9表示了图8中所示的传感器的MEMS芯片的组成；

图10是类似于图9的视图，MEMS表示为上下颠倒。

图11表示了定位在支承元件的壳体插座中的传感器的灵敏元件。

图12是当所述传感器集成在探针中时根据图8至11中所示的示例实施例的压力传感器的示意图；

图13表示了用于制造隔膜的MEMS芯片基体；

图14A和14B分别表示了硅基体25的上侧和下侧；

图15表示了对于给定压力，沿隔膜轴线的压力采取的形状；

图16表示了使得隔膜与芯片连接的弓形；

图17表示了芯片的另一实施例；

图18表示了压敏电阻量规的几何形状；

图19表示了对于三个不同的硼掺杂水平的、由试验测量的电阻率和量规系数的热灵敏值；

图20表示了灵敏芯片电阻的几何形状和方位，该灵敏芯片电阻包括用于温度测量的电阻器；

图21表示了根据本发明示例实施例的芯片制造方法；以及

图22提供了作为用于芯片的压力的函数的、电桥不平衡电压的示意说明。

具体实施方式

在所有附图中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的部件或部件组。在附图中所示的多个部件的比例是现实的、与使用的制造过程一致，特别是如图21中所示的MEMS芯片制造过程。

此外，本说明书参考当传感器处于竖直位置时该传感器的位置而使用措辞例如“上部”和“下部”，如图8中所示。

参考图8，图中表示了适合在井中使用的、根据本发明实施例的传感器11的分解图。

传感器11包括外壳13，该外壳13在它的上部部件15中容纳惰性流体17，在它的下部部件19中容纳灵敏元件21。

外壳13的上部部件22由薄膜24来保护防止接触到流体，该流体的压力将进行测量，并可能有腐蚀性，该薄膜24通常包括不锈钢盘，该不锈钢盘使得所述流体与容纳于所述外壳13的上部部件15中的惰性流体17分离。

传感器11的灵敏元件21包括微机电系统芯片23(在说明书的其余部分中称为“MEMS芯片”，用于微机电系统或者硅传感器)。

参考图9，MEMS芯片23包括堆栈，该堆栈包括第一硅基体25、支承基体27和第二硅基体29。支承基体27能够是绝缘基体，例如玻璃或Pyrex，或者是半导体基体，例如硅。使用硅来制造MEMS芯片的一个或多个元件是非限定实例，因为其它材料也能够用于生产这些元件。

第一硅基体25包括：单晶硅灵敏隔膜，该单晶硅灵敏隔膜能够在惰性流体的压力作用下受到机械应力；以及应力检测电路31，该应力检测电路31包括电阻器。硅基体25采取长方体的形状，包括基本平的外部侧壁26、28。显然，硅基体可以采取不同平行六面体形状，例如立方体。

第二硅基体29连接MEMS芯片23和灵敏元件的支承元件33(图11中表示)，该支承元件33属于传感器本体。这种连接通常通过粘接而产生。

图10是MEMS芯片23的分解图，该MEMS芯片23与它在图9中的视图相比上下颠倒。

在硅基体29和传感器本体的支承元件之间的接触表面34由基体29的周边边缘35和通过连接销37而形成，该连接销37形成栓柱(stud)，基本形成于所述基体的中心，并垂直于硅基体29的下部壁39延伸。

连接销37能够用于通过实际上的点粘接而将芯片23装配在它的支承元件中，从而MEMS芯片23不会受到来自机械支承件的应力的影响，该应力能够在操作过程中在温度或压力变化或者冲击的作用下来自例如传感器盒。

连接销37形成分开元件，从而提供了良好的测量稳定性。这是优于本领域现有技术芯片的改进，本领域现有技术的芯片具有松散的定位焊(tacking)表面，它很难粘接，并可能由于产生滞后和移动的问题而损害传感器的计量。

根据未示出的另一实施例，在第二硅基体和传感器本体之间的接触表面包括多个栓柱，这些栓柱例如基本分布在所述基体的周边上。例如，接触表面可以包括中心栓柱和四个布置在基体的下部壁的顶点处的栓柱。

不过，优选是在所述基体和传感器本体之间的接触表面的面积不超过MEMS芯片23的所述硅基体的面积的50％。

下面参考图11，图中表示了装配在支承元件33中的MEMS芯片23。

MEMS芯片23设计成通过电连接装置41而与数据处理装置(图12中所示的70)连接。

MEMS芯片23的支承元件33由材料例如陶瓷来制造。所述支承元件包括：壳体插座42，用于接收MEMS芯片23；以及壳体43，用于接收电连接装置41，该电连接装置41连接MEMS芯片23和数据处理装置。

这些壳体43通常包括钻孔，该钻孔基本垂直于MEMS芯片23的壳体插座42。

图8表示了压力传感器也包括压力馈通45(即用于电导体的通孔，相对于流体压力密封)，该压力馈通45形成在MEMS芯片23和数据处理装置之间的压力屏障。

压力馈通容纳于MEMS芯片23的支承元件33和传感器本体的壳体之间，从而防止压力传递给数据处理装置。这种压力馈通包括玻璃或陶瓷圆柱体，并装备有多个传导元件41，以便在MEMS芯片23和数据处理装置之间形成电连接。

而且，数据处理装置能够通过遥测通信装置和电缆而与优选布置在地面上的数据采集装置连通，该遥测通信装置例如可能包括声音或电磁类型的波发射装置，该电缆安装在井中，并使得这些发射装置与地面装置连接。

上面参考图8至11所述的传感器的操作将参考图12而更容易理解，图12提供了它应用于探针80中的操作的示意图。该探针80例如能够配置在引向烃储层的井中。

要测量压力的流体61(例如来自烃储层的流体可以包括油、天然气、水、酸混合物等)在根据本发明的传感器上(在保护薄膜24上)施加力。

与MEMS芯片23接触的惰性流体17(例如硅油)将施加于隔膜24上的压力传递给MEMS芯片23的灵敏隔膜49。

如前所述，在井中的流体可以有很高的腐蚀性。这可以是当流体包含硫化氢和/或压裂酸时的情况。惰性流体17用于将所述流体的压力传递给芯片23的灵敏隔膜，并防止在所述芯片和流体之间的直接接触，当流体有腐蚀性时，这样直接接触将严重损坏芯片隔膜。

隔膜在由惰性流体17施加的压力的作用下变形，然后，这种机械应力通过应力检测电路而转变成电阻和电桥不平衡电压的变化。

然后，该电压通过横过压力屏障45的电连接装置41而传递给数据处理装置。通常，电连接装置41包括多个由插头构成的传导元件，该传导元件在一端处通过有良好电导率特性的电缆47(例如金或铝电线)而与MEMS芯片的、形成电触点的灵敏元件连接，在另一端处与数据处理装置70连接。

压力传感器容纳于探针80的内部，该探针80也接收上述数据处理装置，从而优化压力传感器的性能和使它在现场非常灵活地使用。数据处理装置70可以根据需要包括以下主要模块：电源71(例如与电压调节器或电流发生器相连的电池)，用于向量规电桥和电阻温度检测器供电；一个或多个差分放大器72，该差分放大器72的输入与量规电桥的输出连接和与电阻温度检测器(RTD)连接；模-数转换器73；微控制器，该微控制器将数据转变成标定的压力和温度值74；存储器75，用于储存记录的数据；以及通信模块76，用于与外部通信。

根据一种结构，通信模块76使用电磁耦合来监听和在电缆上发送数据，该电缆使得地面与井底连接，或者与井的局部部分连接。

探针80有与电缆连接的变换器，以便检测在电缆上存在的信号，而且也在电缆上发送信号。各探针使用一组专用频率，该组专用频率被分配用于发送它的数据。一个简单的编码系统是以频率F1发送一串正弦波，以便发送逻辑“0”，以及以频率F2发送一串正弦波，以便发送逻辑“1”。对于各探针执行时间窗口分配算法，以使得探针不会同时都通信。

地面采集系统通过电缆界面变换器和一组通信频率而类似的操作。

具有较大幅值信号的另外频率能够用于向井底传送电能，例如当电池不能使用时向探针供电，如在永久性系统中那样。

与本领域现有技术(在该现有技术中，多个探针必须与电缆电连接，这涉及切断电缆和在困难的场地条件下形成焊接接头或接合)相比，这种方法的一个优点是它更容易安装和更可靠。

根据另一结构，探针80的通信模块76使用声音传输。声波由与流体接触的换能器77来发出，该声波在井中传播，并通过其它探针的通信模块或地面模块或者井下通信模块(该井下通信模块通过电缆而与地面模块连接)而在远处检测。

然后，标定的数据通过由声音或电磁类型的波传输建立的通信而发送给位于地面上的数据采集装置(未示出)，从而能够实时数据处理。

我们下面参考图13，图中表示了在图9中所示的MEMS芯片23的第一基体25，所述基体附接在玻璃或Pyrex类型支承基体27上，例如通过静电粘接。支承基体27附接在第一基体25的下部部件上将确定处于真空的空腔9，以便产生绝对压力传感器。第二硅基体29(图9和10中表示)已经省略。

MEMS芯片的灵敏隔膜49制造于所述芯片的基体25中，并在由惰性流体17施加的压力P的作用下变形。

施加在隔膜49的上侧上的压力P的效果是产生力，该力引起所述隔膜偏转以及在隔膜平面中的机械应力的外观偏转，它们通过压敏电阻来测量。

根据本发明的第一实施例，芯片的第一基体25包括至少两个槽51，该槽51与所述芯片的基体的上部壁53垂直地切割，并布置在隔膜49的各侧。

优选是，槽51采取基本矩形形状，并在隔膜49的连接区域附近产生，隔膜的所述连接区域基本制造于基体25的上部壁53的中心，但是当需要时移动至基体的上部壁的其它部分，例如移动至它的周边。

这些槽51确定了内部侧壁56，该内部侧壁56的上部部分形成隔膜49的连接区域。侧壁56设计成将由流体施加的压力P传递至隔膜49的侧部上，从而产生压缩应力CT，该压缩应力CT加在由于作用在隔膜49的表面上的压力而引起的应力上。

图14A和14B分别表示了根据上述示例实施例的、包括隔膜49的硅基体25的上侧和下侧。

隔膜49采取基本矩形形状，具有长度L和宽度l，以便保证它受到沿优选轴线(该优选轴线有利于应力检测电路)的压缩，并优化内壁56的压缩力向隔膜49上的传递。例如，长度L为大约1mm，宽度l为大约0.2mm。

适当地，隔膜49的长度为它的宽度的至少两倍。

另外，适当地，槽51布置成使得内壁56基本平行于隔膜的长侧部(长度L)。

这种几何形状的一个优点是在隔膜49的中心处的应力主要沿它的宽度的轴线(因此平行于它的短侧部)，因此优化了压敏电阻的定位和灵敏度。

与本领域现有技术的方案相比，灵敏元件的这种结构增加了灵敏度和稳定性，并提供了更好的抗过大压力性。

实施例实际上证明，对于1伏的电桥电源，能够在隔膜并不破裂或疲劳的情况下达到大于0.5伏的输出信号。该结果比现有技术的硅传感器大得多，对于现有技术的硅传感器，对于1伏的电桥电源，能够在隔膜没有破裂或疲劳的危险的情况下达到仅0.1伏的最大输出信号。

下面参考图15，图中表示了对于给定压力，施加在隔膜上的应力CT怎样沿轴线AM(在图15上为水平)从位于位置-l/2处的一个边缘(在图15中的左侧)至位于位置+l/2处的另一边缘而变化，该轴线AM的方向沿隔膜的宽度l，平行于应力CT的方向。隔膜49只在压缩MC中工作(即隔膜并不在拉紧MT中工作)，这意味着在硅的弹性区域中能够获得比由现有技术传感器获得的应力水平大得多的应力水平。

图16表示了根据本发明的传感器的可选实施例，其中，灵敏隔膜49通过形成于空腔9中的弓形件54而与芯片的第一基体25的侧壁56连接。这些弓形件形成加强件，从而允许隔膜49增加它的抗机械应力(它受到该机械应力)性。

这些弓形件54使得空腔9的内壁与隔膜49的下部壁4连接，并沿与隔膜的长度L基本平行的方向形成轮廓。

弓形件54的曲率半径R能够等于大约50微米。

根据图17中表示的另一实施例，在隔膜49的各长侧部L和硅基体25的壁的外侧部2b(它与该壁的外侧部连接)之间的距离d相对较小。例如，该距离d在大约100微米和1毫米之间，且小于空腔高度的三倍。在该结构中，芯片没有槽。该结构使得压力P通过形成芯片的长侧部的外侧部26而传递给隔膜。在其它实施例中，MEMS芯片的、与灵敏隔膜49的长侧部连接的外侧部26用作侧壁56(该侧壁不再由槽51来产生)，并在外部压力的作用下将压缩力传递给隔膜。

在该示例实施例中，避免了在芯片中的槽，同时受益于只在压缩中工作的隔膜。这种效果通过调节在侧壁56的高度和空腔9的高度(或者隔膜的厚度)之间的比率来控制。

图18表示了在隔膜49中的应力检测电路31。所述电路包括Wheatstone电桥结构，包括压敏电阻部件5a、5b，该压敏电阻部件5a、5b也称为压敏电阻或应力量规，它们的电阻率在其受到机械应力时变化。

根据本发明，应力量规5a、5b定位在隔膜的中心，最大应力的区域，以便获得来自电桥的较强输出信号。

如前面在图7中所示，我们观察到硅量规系数取决于温度，对于由固定电压供电的电桥，这导致电桥输出电压不仅取决于压力，而且还取决于温度，称为传感器灵敏度的热漂移的效果。

压敏电阻能够高度掺杂，以便限制这种扰乱效果。

不过，这样掺杂降低了对于灵敏元件的压力的灵敏度，量规系数的绝对横向和纵向值在高掺杂浓度时较小。

另一方法包括通过电流来向电桥供电。量规电桥的灵敏度与温度增加相关的损失实际上能够通过增加电桥供给电压来补偿。

因此，掺杂浓度选择为使得掺杂硅电阻率的热灵敏度尽可能接近地补偿它的量规系数的热灵敏度。

图19给出了通过试验记录的、电阻率的热灵敏度值和压敏电阻效果ΔR(单位为ppm/℃)，表示了对于每cm³大约5x10¹⁹硼原子的掺杂浓度CB，效果将相互补偿(最佳补偿点PO)。不过，尽管有这些改进，灵敏元件保持大约1％的残余热灵敏度，这必须进行补偿，以便达到预期的、非常高水平的度量性能(大约0.01％的精度)。

提出的方法是将一个或多个电阻温度检测器(RTD)55a、55b(通过与压敏电阻5a、5b相同的硅晶片来制造)布置在相同芯片上和量规电桥附近。

这种方案很容易结合在芯片制造处理中，而并不增加成本，因为没有增加步骤。

用于降低灵敏元件的残余热灵敏度的已知方法是将电阻温度检测器布置在MEMS芯片的刚性框架上，远离隔膜应力。

该方法对于低压范围的传感器很令人满意，但是在高压下有问题。实际上，对于几百巴的压力，在框架上的应力不再能够忽略，压敏电阻的效果显现在电阻温度检测器上。

根据本发明，电阻温度检测器(RTD)55a、55b沿晶体轴线定位，该晶体轴线的量规系数为零。在这种情况下，检测器55a、55b沿晶体轴线100的纵向定位。

另外，根据本发明，参考图20，电阻温度检测器(RTD)55a、55b采取特殊几何形状，成多个人字形的形状，这些人字形在它们的侧端连接在一起。

通过这种结构，如图6中所示，纵向和横向量规系数在晶体轴线100中为零。这使得电阻温度检测器(RTD)55a、55b对于压力的灵敏度减至最小。

电桥响应和检测器55a、55b的压力和温度进行标定，以便对于热效果进行补偿，并达到0.01％的精度，该值远远大于本领域的当前技术。

下面参考图21，图21是根据本发明的芯片制造方法的示意图。这种方法包括以下步骤：

步骤1：通过离子注入而使得绝缘体上硅结构(SOI)晶片掺杂，例如通过用于掺杂P形量规的硼；

步骤2：通过单晶硅薄层的光刻术而产生压敏电阻和RTD；

步骤3：通过热氧化来钝化硅层；

步骤4：打开检测器的触点，执行金属的沉积和光刻，以便形成在电桥和电触点之间的连接；

步骤5：通过“DRIE”(深反应离子蚀刻)而形成隔膜。隔膜厚度控制成获得所需的压力范围；

步骤6：通过DRIE而在前侧形成槽，以便确定侧向压缩结构；

步骤7：通过另一硅晶片的DRIE微机械加工而产生具有中心栓柱的分开结构；

步骤8：在真空下使用玻璃晶片和静电粘接来装配两个晶片。因此共同形成空腔；

步骤9：对晶片进行点的电测试，并通过金刚石锯来切割所述晶片。芯片准备装配至传感器盒中。

如前所述，Wheatstone电桥通过连接装置41而与数据采集装置直接连接，该连接装置41由传导元件(例如金属圆柱体)组成，该传导元件通过压力馈通来传递，并使得电桥输出连接在差分放大器的输入处，该差分放大器集成在数据处理装置中。

因为在电桥输出处的操作范围与在模-数转换器的输入处的操作范围不同，因此应力检测电路输出电压必须适合转换器输入电压。这种适合通常利用差分放大器来执行。

根据本发明，包括Wheatstone电桥的应力检测电路不平衡，因此，对于与井底的压力相对应的压力的电桥输出电压范围对应于接近零的电压。

通过这种结构，高增益能够用于放大器上，而并不使得它的输出饱和，因此数据采集装置转换器的整个范围都用于有利的测量区域中。

通常，这种初始电桥偏移通过相对于横向电阻器有意改变纵向电阻器的尺寸而获得。

电桥不平衡用于使得电桥输出范围适应数据采集装置的、用于预定压力范围的电压输入范围。

这种适应优化了数据采集系统在大约井底压力的压力范围中的性能，因此提高了电桥在大约有利测量范围中的值的取样精度。

例如，当模-数转换器具有1伏的输入参考值，且MEMS芯片有0.25mV/巴的灵敏度和等于0的电桥输出电压(对于1000巴的压力)时，偏离使得能够在输入放大器上施加40的增益系数，因此覆盖从900巴至1100巴的高分辨率压力，对应于在井底的参考值，因此提高了对于该值范围的取样精度。

图22提供了对于优化的MEMS芯片，作为压力PR的函数的电桥不平衡电压TD的示意说明。因此，高增益水平能够用于接口电路，且电子元件的信号与噪音比率能够提高。在图22中，SM表示在断开时的最大信号，OI是初始偏离，PM是最大压力，PP是井中的压力，GOC是完全压力测量范围，GHR是在高分辨率的压力测量范围，而GTS是过大压力电阻范围。

当使用该方法时，能够在感兴趣的范围内达到大约0.1ppm的分辨率，比现有技术大得多。电桥不平衡通过相对于横向量规调节纵向量规的几何形状而获得。

另外，为了限制传感器(特别是)由于温度、压力测量以及该数据的通信而引起的电消耗，根据本发明的传感器设计成在有限时间内采取断开措施，优选是小于1秒。

根据本发明，我们确定两种传感器操作模式由用户来选择：正常模式和“备用”模式。

在正常操作模式中，传感器编程为每秒获取温度和压力测量值。

当用户选择较低的测量频率时(即较长周期T)，传感器转换至“备用”模式，它将在时间T’(该时间T’等于(T-1)秒)中并不进行测量，然后在时间T’的最后一秒进行所需的测量。

因此，布置在井底的传感器的自主性较大，这意味着供电的电池重新充电的频率较低。

另外，为了最小化灵敏元件的电消耗，压敏电阻必须有较高值。

耗散功率由关系式P＝V2/R来表示，对于1伏电压和100微瓦的电消耗目标，这给出10k欧姆的电桥电阻。因为目标掺杂水平相对较高(由于前述原因)，因此需要极其细长的电阻器，通常长宽比为大约100。电桥几何形状因此必须优化，以使得大量的正方形能够定位在隔膜的最大应力区域中。

另外，金属连接远离隔膜的应力区域，以避免滞后和漂移问题，该问题可以与这些相对不稳定材料存在于灵敏元件附近相关联。

在本发明中所述的压力传感器能够用于在非常高的测量分辨率情况下记录压力，特别是在井的额定压力范围附近的区域中。

压力传感器发现特别用于油和气的勘探、生产和运输领域中，尽管并不限制用途。更通常是，压力传感器能够用于恶劣环境的用途中，其中，压力可以从几百巴至超过2000巴。

根据本发明的传感器还包括使得它有自主性以及使它能够在远离地面处和没有任何人工干预的情况下在变化的操作条件中(根据观察的现象而进行快速和缓慢的采集顺序)操作的特征。另外，传感器能够实时地(首先)与其它传感器通信和(其次)与地面通信，以便根据在井底观察的现象来调节在井中执行的操作。

显然，本发明并不局限于该压力传感器的实施例类型(上面介绍为实例)，而是相反，它包含所有变化。

Claims (18)

1.一种流体压力测量传感器(11)，包括微机电系统MEMS芯片(23)，其中：

MEMS芯片(23)包括：两个侧壁(56)；灵敏隔膜(49)，所述灵敏隔膜与所述侧壁(56)连接；以及密封空腔(9)；

灵敏隔膜(49)和侧壁(56)的外表面暴露于流体压力中；

侧壁(56)设计成使得灵敏隔膜(49)受到由相对的侧壁(56)传递的压缩应力，其中，所述侧壁(56)与灵敏隔膜(49)连接，以使得灵敏隔膜(49)只在压缩中工作；以及

MEMS芯片(23)还包括应力检测电路(31)，以便测量灵敏隔膜(49)的压缩状态，所述压缩状态与流体压力成比例。

2.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：灵敏隔膜(49)具有矩形形状，包括两个长侧部(L)，其中，通过所述灵敏隔膜的两个长侧部(L)而与所述灵敏隔膜(49)连接的两个相对的侧壁(56)设计成使得灵敏隔膜(49)受到沿与所述长侧部(L)垂直的方向的压缩应力。

3.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：空腔(9)充满气体，所述气体的参考压力小于流体压力。

4.根据权利要求2所述的流体压力测量传感器(11)，其中：两个侧壁(56)由在MEMS芯片(23)的基体中切割的槽(51)来形成。

5.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：灵敏隔膜(49)通过弓形件(54)而与MEMS芯片(23)连接，所述弓形件(54)的曲率半径(R)等于大约50微米。

6.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：灵敏隔膜(49)为矩形形状，它的长度(L)大于它的宽度(l)的两倍。

7.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：应力检测电路(31)包括定位在灵敏隔膜(49)的中心中的横向量规(5a)和纵向量规(5b)。

8.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：MEMS芯片(23)包括至少一个电阻温度检测器(55a、55b)，所述电阻温度检测器设计成测量沿晶体轴线定向的温度效果，对于所述晶体轴线，纵向量规系数和横向量规系数为零。

9.根据权利要求8所述的流体压力测量传感器(11)，其中：电阻温度检测器(55a、55b)采取多个人字形的形状，这些人字形在它们的侧端处连接在一起。

10.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：MEMS芯片(23)通过比所述MEMS芯片(23)小的接触表面(34)而附接在传感器本体上。

11.根据权利要求10所述的流体压力测量传感器(11)，其中：在MEMS芯片(23)和传感器本体之间的所述接触表面(34)包括中心栓柱(37)和周边边缘(35)，在MEMS芯片(23)和传感器本体之间的所述接触表面的面积小于MEMS芯片(23)面积的50％。

12.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：应力检测电路(31)包括Wheatstone电桥结构，所述应力检测电路不平衡，以使得对于与井底压力相对应的压力，电桥的电压输出范围对应于接近于零的电压。

13.根据权利要求12所述的流体压力测量传感器(11)，其中：应力检测电路(31)的输出的参考值对应于与MEMS芯片(23)连接的数据处理装置(70)的输入范围的起点。

14.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，还包括：布置在MEMS芯片(23)的支承元件和本体壳体之间的压力馈通(45)，所述压力馈通包括至少一个传导元件(41)，所述传导元件(41)设计成允许在数据处理装置(70)和MEMS芯片(23)之间电连接。

15.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：灵敏隔膜(49)通过其它惰性流体(17)而受到要被测量的流体的压力，所述其它惰性流体通过可变形的保护薄膜(24)而与第一流体分离。

16.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：灵敏隔膜(49)的长度(L)的长侧部与MEMS芯片(23)的外侧壁(26)分离的距离(d)在大约100微米和1毫米之间。

17.根据权利要求1所述的流体压力测量传感器(11)，其中：侧壁(56)的高度比灵敏隔膜(49)的厚度大至少5倍，且侧壁(56)的厚度比所述高度小大约3倍。

18.一种流体压力测量探针(80)，包括根据前述任意一项权利要求所述的流体压力测量传感器(11)。