CN1172170C - 耐高温石油井下动态压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感器，特别是一种在油井井下使用的耐高温微动压力或微流量传感器，由弹性元件[2]、主保护盖板[3]、次保护盖板[7]和SOI硅微固态压阻芯片[5]及连接螺钉[8]组成，弹性元件和主保护盖板、次保护盖板通过螺钉连接在一起，弹性元件设计为悬臂梁形式，装有SOI硅微固态压阻芯片的悬臂梁上部安装在保护盖板内，通过保护盖板并悬在保护盖板外部的悬臂梁的下部通入具有流体的管道内。本发明的硅微固态压阻芯片采用SOI技术制造，具有耐高温、测量精度高的效果；通过改变悬臂梁的长、宽和厚度，可解决井下微压力或微流量的测量问题，该传感器动态特性好、耐高温并具有测量精度高、性能稳定等特点，适宜在高温、高湿等恶劣环境下使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种在井下使用的耐高温动态压力或微流量传感器。
背景技术
已知的油气井压力测试系统大致有两种，一种是以螺旋弹簧管式压力计为核心的油气井压力测试系统，该型仪器的测量精度较低、量程范围较窄以及适用温度在200℃以下，已不能满足油气井的测量要求；第二种是以存储式电子压力计为核心的现代油气井压力测试系统，此压力计普遍采用硅—蓝宝石或石英作敏感元件，并使用了集成电路设计技术，具有小体积、大存储容量的特点，主要参数基本能满足油层深度3500m及温度130℃的油气井的测试需要，但随着油层深度的增加，温度的升高，该类系统已满足不了现代油气井井下压力测量的需要。由于受到测试系统耐高温性能和体积的限制，加上测试对象—油气井的温度和压力的细微变化，不同测试目的的测试系统各不相同，如蒸汽吞吐油井，其井下工作温度达到230℃左右，有些特殊开采方式的生产井甚至无法测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温石油井下动态压力传感器，以解决随着油层深度的增加，温度的升高以及流量小或压力低的状况下，油气井井下压力难以测量的问题。
本发明是以如下方式实现的：本发明主要由弹性元件、主保护盖板、次保护盖板和SOI硅微固态压阻芯片及连接螺钉组成，弹性元件和主保护盖板、次保护盖板通过螺钉连接在一起，弹性元件设计为悬臂梁形式，即在弹性元件的右下方设计有一向下的悬臂梁，SOI硅微固态压阻芯片通过共晶焊接或其他封装工艺键合在弹性元件上，装有SOI硅微固态压阻芯片的悬臂梁上部安装在保护盖板内，通过保护盖板并悬在保护盖板外部的悬臂梁的下部通入具有流体的管道内，该压力传感器通过螺钉固定在管道上。
本发明的硅微固态压阻芯片采用SOI技术制造，具有耐高温的特点；刻制在SOI硅微固态压阻芯片上的桥式电路采用五折结构的电阻条，呈浮雕状凸出在芯片上，具有检测时灵敏度高的优点；在芯片的背面进行了镀金处理使其与弹性元件更好地键合在一起，并采用钛-铂-金梁式高温引线，引出电信号。该芯片可工作在200-400℃的高温条件下，解决了在高温条件下存在漏电流的影响，
在工作状态时，当流体以一定的压力或流量特别是微压力流动时，就会在弹性元件的悬臂梁下部施加压力，此时，悬臂梁产生变形，与悬臂梁上部固接在一起的SOI硅微固态压阻芯片也发生改变并发出电信号，从而测量出流体压力的变化，由于该传感器灵敏度较高，满足了在深井下高温、压力低及流量小等较差环境下的压力测量要求。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明在管道中的安装示意图；
图3为本发明的弹性元件结构图，其中图3(a)为主视图，图3(b)为A为视图；
图4为本发明SOI硅微固态压阻芯片的桥式电路图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为B-B视图。
具体实施方案
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
根据图1，传感器由弹性元件2、主保护盖板3、次保护盖板7、SOI硅微固态压阻芯片5、高温电路板6和高温传输导线4组成，弹性元件2和主保护盖板3、次保护盖板7通过螺钉8连接在一起，弹性元件2设计为T形悬臂梁结构形式，即在弹性元件2的右下方设计有一向下的悬臂梁2(1)，在弹性元件2悬臂梁2(1)的上部设计有一台阶，SOI硅微固态压阻芯片5通过共晶焊接或其他封装工艺键合在弹性元件2悬臂梁2(1)的台阶下方，通过金丝球焊机等封装设备从SOI硅微固态压阻芯片5引出金丝线到高温电路板6，再与高温导线4相连，从而引出电信号；装有SOI硅微固态压阻芯片5的弹性元件2悬臂梁2(1)的上部安装在保护盖板3和7内，弹性元件2悬臂梁2(1)的下部通过保护盖板3和7并悬在保护盖板外部。该压力传感器的保护盖板3设计为S形，在S形的中间开有一孔，以连接高温导线4，保护盖板7设计为L形。
根据图2，该压力传感器通过螺钉1固定在管道9上，通过保护盖板3、7并悬在保护盖板外部的弹性元件2悬臂梁2(1)的下部通入具有流体的管道9内，在工作状态下，当井下管道流体以微动力从方向1或方向2并以某一速度流动时，便会在悬臂上产生压力，从而使弹性元件2悬在保护盖板外部的悬臂梁2(1)下部发生挠度变形，通过共晶焊接封装在弹性元件2悬臂梁2(1)应力集中点即台阶处、与悬臂梁2(1)上部固接在一起的SOI硅微固态压阻芯片5发生电学特性改变，并通过桥式电路电阻阻值的改变产生电信号，从而测量出井下流体压力的变化。
图3(a)为弹性元件2逆时针旋转90℃时的结构状态图，弹性元件2设计为T形悬臂梁形式，在悬臂梁2(1)的上部设计有一台阶；
图3(b)为图3(a)的A向视图，为SOI硅微固态压阻芯片5固接在弹性元件2悬臂梁2(1)台阶下方的位置和状态。
图4为SOI硅微固态压阻芯片5的电路结构图，SOI硅微固态压阻芯片5中基于SiO2隔离层上的桥式电路采用四个五折结构的电阻条，四个电阻条的R1和R2纵横相对，R1和R3纵横相对，R3和R4纵横相对，R2和R4纵横相对集中固定在芯片5的中间，并凸出于芯片5的表面，形成浮雕状，该形状具有结构紧凑、检测灵敏度高的优点。由于采用了SOI技术和钛—铂—金梁式引线结构，该芯片可工作于200～400℃条件下，解决了高温下存在漏电流的影响，满足高温等恶劣环境下压力测量的要求。
由于本发明的硅微固态压阻芯片采用SOI技术制造，具有耐高温、测量精度高的效果；采用悬臂梁结构形式并通过改变悬臂梁的结构参数，即改变悬臂梁的长、宽和厚度，可解决井下微压力或微流量的测量问题，与螺杆式或蜗流式传感器相比，该传感器动态特性好、耐高温并具有测量精度高、在高温状态下性能稳定等特点，适宜在高温、高湿等恶劣环境下使用。
本发明的耐高温油气井微动压力或微流量传感器，可用于温度在200℃-400℃范围、高静压≥100MPa等恶劣环境下的压力及流速测量，具有精度高、可靠性好、动态特性好等优点，解决了随着油井深度的增加，压力或流速难于测定的问题。
Claims (3)
1、一种耐高温石油井下动态压力传感器，由SOI硅微固态压阻芯片[5]和螺钉[8]组成，其特征在于该压力传感器还包括弹性元件[2]、主保护盖板[3]、次保护盖板[7]，弹性元件[2]和主保护盖板[3]、次保护盖板[7]通过螺钉[8]连接在一起，弹性元件[2]的靠近主保护盖板[3]一端的下方设计有一向下的悬臂梁[2(1)]，装有SOI硅微固态压阻芯片[5]的悬臂梁[2(1)]上部安装在主保护盖板[3]和次保护盖板[7]内，悬臂梁[2(1)]的下部通过主保护盖板[3]和次保护盖板[7]并悬在保护盖板外部，所说的SOI硅微固态压阻芯片[5]中基于SiO2隔离层上的桥式电路设计为四个五折结构的电阻条。
2、根据权利要求1所述的耐高温石油井下动态压力传感器，其特征在于，在悬臂梁[2(1)]的上部设计有一台阶，SOI硅微固态压阻芯片[5]固接在弹性元件[2]悬臂梁[2(1)]上部的台阶下方。
3、根据权利要求1所述的耐高温石油井下动态压力传感器，其特征在于，桥式电路四个五折结构的电阻条，相互纵横相对集中固接在SOI硅微固态压阻芯片[5]的中间，并呈浮雕状凸出于SOI硅微固态压阻芯片[5]的表面上。
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