MX2014006922A - Sensor de presion de fluido y sonda de medicion. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un sensor de medición de la presión de fluido (11) que comprende un chip de sistema microelectromecánico (MEMS) (23). El chip de MEMS (23) comprende dos paredes laterales (56), una membrana sensible (49) conectada a tales paredes laterales (56) y cavidad sellada (9). Las superficies exteriores de las paredes laterales (56) y la membrana sensitiva (49) están expuestas a la presión de fluido. Las paredes laterales (56) están diseñadas para someter la membrana sensitiva (49) a un estrés de compresión transmitido por las paredes laterales opuestas (56) donde tales paredes laterales (56) están conectadas a la membrana sensitiva (49) de manera que la membrana sensitiva (49) funciona en compresión solamente. El chip de MEMS (23) también comprende un circuito de detección de estrés (31) para medir el estado de compresión de la membrana sensitiva (49) el cual es proporcional a la presión del fluido.

Description

SENSOR DE PRESIÓN DE FLUIDO Y SONDA DE MEDICIÓN CAMPO DE LA INVENCION Esta invención se refiere a un sensor de presión de fluido .

De manera más precisa, el sensor de presión de conformidad con la invención está propuesto para uso bajo condiciones de presión extremas tales como aquellas encontradas en pozos, por ejemplo, durante la exploración, producción y transporte de gas y aceite. Típicamente, para estas aplicaciones la presión puede extenderse desde unos cientos de bars hasta más de 2000 bars.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Para condiciones de operación tan extremas como estas, las tecnologías actualmente usadas para medición de presión son muy limitadas y se basan en el uso de partes mecánicas macroscópicas elaboradas de aleaciones de acero de alta resistencia tales como inconel o cuarzo y están asociadas con técnicas de manufacturacion complejas. Consecuentemente, las sondas de alta presión disponibles en el mercado son grandes (típicamente varias decenas de centímetros de largo) , costosas y ofrecen solamente características limitadas.

Una característica importante de los requerimientos de instrumentación del fondo de pozo es debido al hecho de que la mayoría de los fenómenos a ser evaluados durante las operaciones de perforación, producción o estimulación pueden estar relacionadas a pequeños cambios alrededor del valor de presión nominal el cual, como se describe previamente, es muy alto .

Avances recientes en la industria del silicio y microelectrónica han conducido al desarrollo de sensores de presión miniaturizados . La principal ventaja de esta tecnología es que los elementos sensitivos son manufacturados en lotes de obleas de silicio, con el fin de producir un gran número de "chips" a bajo costo.

Sin embargo, el desempeño y conflabilidad de sensores usando los elementos sensitivos de este tipo son limitados, especialmente bajo las condiciones de presión extrema mencionadas anteriormente.

El silicio es en efecto, un material muy frágil cuando es sometido a fuerzas de elongación/deformación. Una elongación/deformación relativa de aproximadamente 1% rompe el cristal y por lo tanto destruye el sensor. Aún para niveles de estrés de tensión menores que este valor limitante, las dislocaciones presentes en el cambio de cristal, que resultan en problemas de fatiga y daño al elemento sensitivo.

La situación es diferente cuando el silicio es sometido a fuerzas de compresión donde, en este caso, el material puede soportar estreses muy altos sin problemas de fatiga. En la práctica, contracciones de hasta aproximadamente 5% pueden ser aceptadas sin riesgo de rompimiento .

Cuando se desarrolla un sensor, es por lo tanto critico optimizar la distribución de estreses en las estructuras. Esta distribución definirá el desempeño metrológico del sensor, sensibilidad, estabilidad y robustez.

El elemento sensitivo de un sensor de presión de silicio de conformidad con el estado de la técnica se muestra en las Figuras 1A y IB y comprende un marco rígido 1 con su centro de un área de espesor reducido creada micromaquinando el silicio con el fin de crear una membrana sensitiva 2 que comprende una pared superior y una pared inferior 4.

Los resistores sensibles al estrés 5, que incluyen dos resistores 5a posicionados longitudinalmente y dos resistores 5b posicionados transversalmente, también llamados piezorresistores o calibres, están localizados en la membrana 2 y conectados en conjunto por medios de conexión 6 con el fin de formar un circuito de medición de puente Wheatstone.

Con referencia a la Figura 2, que ilustra el elemento sensitivo del sensor el cual tiene una placa 8 unida bajo su lado inferior, de este modo formando una cavidad 9 bajo vacío y creando un sensor de presión absoluta.

El elemento sensitivo, conocido en la técnica anterior, opera como sigue: el efecto de la presión aplicada en la pared superior 3 de la membrana 2 crea una fuerza la cual induce una deflexión en tal membrana y la apariencia de estrés mecánico en el plano de la membrana, los cuales son medidos por piezorresistores .

La Figura 3 ilustra la forma tomada por el estrés CT a lo largo del eje AM de la membrana por una presión dada.

Las áreas de máximo estrés aparecen en las áreas de unión (en tensión MT en la pared superior de la membrana y en compresión MC en su pared inferior) y en el centro de la membrana (en compresión MC en la pared superior y en tensión MT en la pared inferior) .

La Figura 4 es una representación diagramática del circuito de detección de estrés de conformidad con la técnica anterior.

Los resistores son suministrados con voltaje y corriente del exterior mediante contactos eléctricos 7a y 7b.

La salida del elemento sensitivo es definida por la diferencia de voltaje Vs entre los contactos 7c y 7d la cual es expresada por las siguientes relaciones obtenidas con referencia a la Figura 5: Vs= 1/2 V. (ARI/RI - ARt/Rt) , ARI/RI GI X ??/?, ARt/Rt Gt x ??/?, en el cual: V es el voltaje de suministro de energía del puente, RI es el valor de un piezorresistor longitudinal 5a (los dos calibres longitudinales son asumidos por ser idénticos) , el cual es sometido a una elongación ??/? debido al efecto de presión en la membrana la cual se dirige a lo largo del eje del flujo de la corriente en el resistor, y ARI la variación en el valor de este resistor bajo el efecto de este estrés con respecto a la posición de la membrana en reposo, es decir, sin presión.

Rt es el valor de un piezorresistor transversal 5b (los dos calibres transversales son asumidos por ser idénticos) , el cual es sometido a una elongación ??/? debido al efecto de presión en la membrana la cual se dirige perpendicular al eje del flujo de la corriente en el resistor, y ARt la variación en el valor de este resistor bajo el efecto de este estrés con respecto a la posición de la membrana en reposo (sin presión) .

GI y Gt son los factores de calibre transversal y longitudinal de los piezorresistores . Para silicio monocristalino, estos factores dependen de la orientación, y tipo y concentración de dopado (por ejemplo, la concentración de dopado de boro CB en átomos por cm3) y la temperatura T (en grados Celsius) , como se ilustra en las Figuras 6 y 7.

La flecha etiquetada representa la dirección de la corriente.

Este tipo de elemento sensitivo presenta las siguientes desventajas, las cuales degradan el desempeño del sensor : • el área de estrés máximo es concentrada en un área pequeña y debe ser perfectamente alineada con respecto a las posiciones de las áreas de unión de la membrana, haciendo difícil posicionar los piezorresistores y resultando en una pérdida de señal; la máxima presión permisible del sensor está limitada por el hecho de que el silicio es sometido a un alto nivel de estrés de tensión en las áreas de unión. Consecuentemente, la sensibilidad debe ser limitada para permanecer por debajo de los niveles de estabilidad de estrés y rompimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Un objetivo de esta invención es superar las desventajas de la técnica anterior, designando un sistema de medición completo el cual es más adecuado para monitorear la producción y operaciones de mantenimiento de pozos, económico de manufactura y optimizado para tomar una medición altamente exacta bajo condiciones de presión extremas.

Un aspecto de la invención por lo tanto se refiere a un sensor de medición de la presión de fluido que comprende un chip de sistema microelectromecánico (MEMS) . El chip de MEMS comprende dos paredes laterales, una membrana sensible conectada a tales paredes laterales y cavidad sellada. Las superficies exteriores de las paredes laterales y la membrana sensitiva están expuestas a la presión de fluido. Las paredes laterales están diseñadas para someter la membrana sensitiva a un estrés de compresión transmitido por las paredes laterales opuestas donde tales paredes laterales están conectadas a la membrana sensitiva de manera que la membrana sensitiva funciona en compresión solamente. El chip de MEMS también comprende un circuito de detección de estrés para medir el estado de compresión de la membrana sensitiva el cual es proporcional a la presión del fluido.

La membrana sensitiva puede tomar una forma rectangular que comprende dos lados largos, en donde las dos paredes laterales opuestas conectadas a la membrana sensitiva por sus dos lados largos están diseñadas para someter la membrana sensitiva a un estrés de compresión en una dirección perpendicular a los lados largos. Una altura de las paredes laterales puede ser al menos cinco veces mayor que un espesor de la membrana sensitiva, por ejemplo diez veces. La cavidad puede ser llenada con un gas cuya presión de referencia es menor que la presión del fluido a ser medida.

Otro aspecto de la invención se refiere a una sonda que comprende este tipo de sensor de medición de la presión de fluido que comprende un chip de sistema microelectromecánico (MEMS) .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Otras características, propósitos y ventajas de esta invención serán aparentes en la lectura de la descripción detallada la cual sigue, de conformidad con las modalidades dadas como ejemplos no limitantes y que se refieren a las figuras adjuntas en las cuales: • Las Figuras 1A y IB ilustran el elemento sensitivo de un sensor de presión de silicio de conformidad con el estado de la técnica; • La Figura 2 es una vista en sección transversal del elemento sensitivo del sensor de conformidad con la Figura 1; • La Figura 3 ilustra la forma tomada por el estrés a lo largo del eje de la membrana para una presión dada, por un sensor tal como aquel representado en las Figuras 1 y 2; • La Figura 4 es una representación diagramática del circuito de detección de estrés de conformidad con el estado de la técnica; La Figura 5 ilustra los factores de calibre transversal y longitudinal de los piezorresistores de conformidad con las direcciones de elongación; • La Figura 6 representa los factores de calibre longitudinal y transversal de los piezorresistores de conformidad con el plano cristalino considerado; • La Figura 7 ilustra la variación del factor de calibre como una función de la temperatura, de conformidad con tres concentraciones de dopado de boro consideradas; • La Figura 8 es una vista despiezada del sensor de presión de conformidad con una primera modalidad de la invención; • La Figura 9 ilustra la composición del chip de MEMS del sensor mostrado en la Figura 8; • La Figura 10 es una vista similar a la Figura 9, el chip de MEMS es mostrado hacia abajo; • La Figura 11 muestra el elemento sensitivo del sensor posicionado en el enchufe de alojamiento del elemento de soporte; • La Figura 12 es una representación diagramática del sensor de presión de conformidad con el ejemplo de modalidad mostrado en las Figuras 8 hasta 11 cuando tal sensor está integrado en una sonda; • La Figura 13 muestra el sustrato de chip de MEMS usado para elaborar la membrana; • Las Figuras 14A y 14B ilustran respectivamente los lados superior e inferior del sustrato de silicio 25; • La Figura 15 ilustra la forma tomada por el estrés a lo largo del eje de la membrana para una presión dada; • La Figura 16 ilustra los arcos que conectan la membrana al chip; • La Figura 17 muestra otra modalidad del chip; • La Figura 18 ilustra la geometría de los calibres piezorresistívos ; • La Figura 19 muestra los valores de sensibilidad térmica para la resistividad y el factor de calibre medidos experimentalmente por tres diferentes niveles de dopado de boro ; • La Figura 20 ilustra la geometría y orientación de los resistores del chip sensitivo, que incluyen los resistores para la medición de temperatura; • La Figura 21 ilustra el proceso de manufacturación de chip de conformidad con los ejemplos de la modalidad de la invención; y • La Figura 22 proporciona una descripción esquemática del voltaje de desequilibrio del puente como una función de la presión para el chip.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En todas las Figuras 1A a 22, las referencias idénticas o similares se refieren a componentes idénticos o similares o series de componentes. Las proporciones de los varios elementos mostrados en las figuras son reales y de conformidad con los procesos de manufacturación usados, especialmente el proceso de manufacturación de chip de MEMS como se ilustra en la Figura 21.

Además, esta descripción usa palabras tales como "superior" e "inferior", con referencia a la posición del sensor cuando está en posición vertical, como se muestra en la Figura 8.

Con referencia a la Figura 8, ilustra una vista despiezada del sensor 11 de conformidad con una modalidad de la invención, adecuado para uso en pozos.

El sensor 11 comprende una envoltura exterior 13, que contiene un fluido inerte 17 en su parte superior 15 y un elemento sensitivo 21 en su parte inferior 19.

La parte superior 22 de la envoltura exterior 13 es protegida del fluido cuya presión está siendo medida, el cual puede ser corrosivo, por un diafragma 24, típicamente que consiste de un disco de acero que separa tal fluido a partir del fluido inerte 17 contenido en la parte superior 15 de tal envoltura 13.

El elemento sensitivo 21 del sensor 11 consiste de un chip de sistema microelectromecánico 23 (referido como "chip MEMS", por Sistema MicroElectroMecánico o sensor de silicio, en el resto de la descripción) .

Con referencia a la Figura 9, el chip de MEMS 23 comprende una pila que consiste de un primer sustrato de silicio 25, un sustrato de soporte 27 y un segundo sustrato de silicio 29. El sustrato de soporte 27 puede ser un sustrato aislante tal como vidrio o Pyrex, o un sustrato semiconductor tal como silicio. El uso de silicio para la manufactura de uno o más elementos del chip de MEMS es un ejemplo no limitante puesto que otros materiales pueden ser usados para producir estos elementos.

El primer sustrato de silicio 25 comprende una membrana sensitiva de silicio microcristalina la cual puede ser estresada mecánicamente bajo el efecto de la presión de fluido inerte, y un circuito de detección de estrés 31 que comprende resistores eléctricos. El sustrato de silicio 25 toma la forma de un paralelepípedo rectangular que comprende sustancialmente paredes laterales externas planas 26, 28. Obviamente, el sustrato de silicio puede tomar una forma paralelepipédica diferente, tal como un cubo por ejemplo.

El segundo sustrato de silicio 29 conectas el chip de MEMS 23 y un elemento de soporte 33 (mostrado en la Figura 11) del elemento sensitivo, que pertenece a un cuerpo sensor. Esta conexión es típicamente producida por unión.

La Figura 10 es una vista despiezada del chip de MEMS 23 girado hacia abajo comparado con su representación en la Figura 9.

La superficie de contacto 34 entre el sustrato de silicio 29 y el elemento de soporte del cuerpo sensor se forma por el borde periférico 35 del sustrato 29 y vía un perno de conexión 37 formando un remache, sustancialmente formado en el centro de tal sustrato, y que se extiende perpendicular a la pared inferior 39 del sustrato de silicio 29.

El perno de conexión 37 puede ser usado para ensamblar el chip 23 en su elemento de soporte por una unión virtualmente de punto, de manera que el chip de MEMS 23 no se afecta por los estreses del soporte mecánico, lo cual podría venir por ejemplo de la caja del sensor bajo el efecto de cambios de temperatura o presión o impactos durante las operaciones .

El perno de conexión 37 forma un elemento sin acoplamiento que proporciona excelente estabilidad de medición. Este es un mejoramiento sobre el estado de los chips de la técnica los cuales tienen una superficie de tachuelas no estructurada, la cual es difícil de unir y la cual puede deteriorar la metrología del sensor generando problemas de histéresis y cambios.

De conformidad con otra modalidad no mostrada, la superficie de contacto entre el segundo sustrato de silicio y el cuerpo sensor consiste de una pluralidad de remaches distribuidos por ejemplo sustancialmente en la periferia de tal sustrato. Por ejemplo, la superficie de contacto puede incluir un remache central y cuatro remaches localizados en los vértices de la pared inferior del sustrato.

Preferiblemente sin embargo, el área de la superficie de contacto entre tal sustrato y el cuerpo sensor no excede 50 % del área de tal sustrato de silicio del chip de MEMS 23.

Con referencia a la Figura 11, se ilustra el chip de MEMS 23 ensamblado en su elemento de soporte 33.

El chip de MEMS 23 está diseñado para ser conectado a un dispositivo de procesamiento de datos (70 mostrado en la Figura 12) mediante medios de conexión eléctrica 41.

El elemento de soporte 33 del chip de MEMS 23 es elaborado de un material tal como cerámica. Tal elemento de soporte comprende un enchufe de alojamiento 42 para recibir el chip de MEMS 23 y alojamientos 43 para recibir los medios de conexión eléctrica 41 que conectan el chip de MEMS 23 y el dispositivo de procesamiento de datos.

Estos alojamientos 43 típicamente consisten de perforaciones sustancialmente perpendiculares al enchufe de alojamiento 42 del chip de MEMS 23.

La Figura 8 muestra que el sensor de presión también comprende una alimentación de paso de presión 45 (es decir, un agujero de paso para conductores eléctricos sellados con respecto a la presión del fluido) formando una barrera de presión entre el chip de MEMS 23 y el dispositivo de procesamiento de datos.

La alimentación de paso de presión es alojada entre el elemento de soporte 33 del chip MEMS 23 y un alojamiento del cuerpo sensor, previniendo la transmisión de presión al dispositivo de procesamiento de datos. Esta alimentación de paso de presión comprende un cilindro de vidrio o cerámica y está equipado con una pluralidad de elementos de conducción 41 para hacer la conexión eléctrica entre el chip de MEMS 23 y el dispositivo de procesamiento de datos.

Además, el dispositivo de procesamiento de datos puede comunicarse con un dispositivo de adquisición de datos localizado preferiblemente en la superficie, mediante medios de comunicación de telemetría, posiblemente que incluyen sonido o medios de transmisión de ondas de tipo electromagnéticas, por ejemplo, y un cable eléctrico instalado en el pozo y que conecta estos medios de transmisión al dispositivo de la superficie.

La operación del sensor descrito anteriormente con referencia a las Figuras 8 a 11 será más fácil de entender con referencia a la Figura 12, la cual proporciona una ilustración diagramática de esta operación para una aplicación en una sonda 80. Esta sonda 80 puede por ejemplo, ser desplegada en un pozo dirigido hacia un reservorio de hidrocarburos .

El fluido 61 (por ejemplo fluido a partir del reservorio de hidrocarburo puede incluir aceite, gas, agua, compuestos de ácido, etc.), cuya presión está siendo medida ejerce una fuerza en el sensor de conformidad con la invención, en el diafragma de protección 24.

El fluido inerte 17, por ejemplo aceite de silicio, en contacto con el chip de MEMS 23, transmite la presión ejercida en el diafragma 24 a la membrana sensitiva 49 del chip de MEMS 23.

Como se describe previamente, el fluido en el pozo puede ser altamente corrosivo. Este puede ser el caso cuando el fluido contiene sulfuro de hidrógeno ylo ácidos de fracturación . El fluido inerte 17 se usa para transferir la presión de tal fluido a la membrana sensitiva del chip 23 y prevenir el contacto directo entre tal chip y el fluido, el cual podría seriamente dañar la membrana del chip si el fluido es corrosivo.

La membrana se deforma bajo el efecto de la presión ejercida por el fluido inerte 17, este estrés mecánico es entonces convertido por el circuito de detección de estrés en una variación en las resistencias eléctricas y en voltaje de desequilibrio del puente.

Este voltaje es entonces transferido al dispositivo de procesamiento de datos mediante los medios de conexión eléctrica 41 que cruzan la barrera de presión 45. Típicamente, los medios de conexión eléctrica 41 comprenden una pluralidad de elementos de conducción compuestos de obturadores conectados en un extremo a los elementos sensitivos del chip de MEMS formando contactos eléctricos, mediante cables eléctricos 47 que presentan buenas propiedades de conductividad eléctrica, tales como alambres de oro o aluminio, y en el otro extremo al dispositivo de procesamiento de datos 70.

El sensor de presión es alojado dentro de la sonda 80 la cual también recibe el dispositivo de procesamiento de datos mencionado anteriormente, de este modo optimizando el desempeño del sensor de presión y haciéndolo altamente flexible para uso en el campo. El dispositivo de procesamiento de datos 70 puede, como se requiere, comprender los siguientes módulos principales: un suministro de potencia 71 (por ejemplo una batería acoplada a un regulador de voltaje o un generador de corriente para energizar el puente de calibre y los detectores de temperatura de resistencia, uno o más amplificadores diferenciales 72 cuyas entradas están conectadas a la salida del puente de calibre y al detector de temperatura de resistencia (RTD) , un convertidor análogo-digital 73, un microcontrolador que convierte datos en presión calibrada y valores de temperatura 74, una memoria 75 para almacenar los datos registrados y un módulo de comunicación 76 para comunicarse con el exterior.

De conformidad con una configuración, el módulo de comunicación 76 usa acoplamiento electromagnético para escuchar y transmitir datos en un cable de conexión a la superficie al fondo del pozo, o a una sección parcial del pozo .

La sonda 80 tiene un transformador acoplado al cable, con el fin de detectar señales presentes en el cable pero también para transmitir señales en este cable. Cada sonda usa una serie de frecuencias especificas alojadas para transmitir sus datos. Un sistema de codificación simple es transmitir un tren de sondas sinusoidales a una frecuencia Fl para transmitir una lógica "0" y un tren de ondas sinusoidales a una frecuencia F2 para transmitir una lógica "1". Un algoritmo de ubicación de ventaja de tiempo es ejecutado para cada sonda de manera que las sondas no todas se comunicación al mismo tiempo.

El sistema de adquisición de superficie opera similarmente, con un transformador de interfaz de cable y una serie de frecuencias de comunicación.

Una frecuencia adicional, con señales de amplitud largas, puede ser usada para transmitir energía eléctrica al fondo del pozo, por ejemplo para energizar las sondas si las baterías no pueden ser usadas, como en los sistemas permanentes .

Una desventaja de este procedimiento comparado con el estado de la técnica, donde varias sondas deben ser eléctricamente conectadas al cable, lo cual involucra cortar el cable y hacer una unión por soldadura o empalme bajo condiciones de campo difícil, es que es más fácil de instalar y más confiable.

De conformidad con otra configuración, el módulo de comunicación 76 de la sonda 80 usa transmisión de sonido. Una onda de sonido es emitida por un transductor 77 en contacto con el fluido el cual es propagado en el pozo y detectado remotamente por el módulo de comunicación de otras sondas o el módulo de superficie, o un módulo de comunicación del fondo del pozo conectado a un módulo de superficie por un cable .

Los datos calibrados son entonces enviados al dispositivo de adquisición de datos (no mostrado) localizado en la superficie, por ajuste de comunicación por transmisión de ondas de tipo sonda o electromagnéticas, permitiendo el procesamiento de datos en tiempo real.

Con referencia ahora a la Figura 13, ilustra el primer sustrato 25 del chip de EMS 23 mostrado en la Figura 9, tal sustrato está siendo unido al sustrato de soporte de tipo vidrio o Pyrex 27, por ejemplo por unión electrostática. La unión del sustrato de soporte 27 a la parte inferior del primer sustrato 25 define una cavidad 9 bajo vacio, con el fin de crear un sensor de presión absoluta. El segundo sustrato de silicio 29 (mostrado en las Figuras 9 y 10) ha sido omitido.

La membrana sensitiva 49 del chip de MEMS se hace en el sustrato 25 de tal chip y deforma bajo el efecto de presión P ejercida por el fluido inerte 17.

El efecto de presión P aplicada en el lado superior de la membrana 49 crea una fuerza la cual induce una deflexión en tal membrana y la aparición de estrés mecánico en el plano de la membrana, los cuales son medidos por los piezorresistores .

De conformidad con la primera modalidad de la invención, el primer sustrato 25 del chip comprende al menos dos ranuras 51 cortada perpendicularmente en la pared superior 53 del sustrato de tal chip y localizado en cada lado de la membrana 49.

Preferiblemente, las ranuras 51 toman una forma sustancialmente rectangular y son producidas cerca del área de unión de la membrana 49, tal área de unión de la membrana es elaborada sustancialmente en el centro de la pared superior 53 del sustrato 25, pero cambiadas si se requieren a otra parte de la pared superior del sustrato, por ejemplo a su periferia.

Estas ranuras 51 definen paredes laterales internas 56 cuyas partes superiores forman las áreas de unión de la membrana 49. Las paredes laterales 56 son diseñadas para asi transmitir la presión P ejercida por el fluido en los lados de la membrana 49, de este modo generando un estrés de compresión CT agregado a los estreses debido a la presión que actúa en la superficie de la membrana 49.

Las Figuras 14A y 14B ilustran respectivamente los lados superior e inferior del sustrato de silicio 25 que comprende la membrana 49 de conformidad con el ejemplo de modalidad mencionado anteriormente.

La membrana 49 toma sustancialmente una forma rectangular, de longitud L y amplitud I, para asegurar que sea objeto de compresión a lo largo de un eje preferencial útil para el circuito de detección de estrés, y optimizar la transferencia de la fuerza de compresión de las paredes internas 56 en la membrana 49. Por ejemplo, la longitud L es aproximadamente 1 mm y la amplitud I aproximadamente 0.2 mm.

Apropiadamente, la longitud de la membrana 49 es al menos dos veces su amplitud.

Además, apropiadamente, las ranuras 51 son arregladas de manera que las paredes internas 56 son sustancialmente paralelas a los lados largos (de longitud L) de la membrana.

Una ventaja de este tipo de geometría es que el estrés en el centro de la membrana 49 es principalmente a lo largo del eje de su amplitud (por lo tanto paralelo a sus lados cortos), con ello optimizando el posicionamiento y sensibilidad de los piezorresistores .

Esta configuración del elemento sensitivo incrementa la sensibilidad y la estabilidad y ofrece mejor resistencia al exceso de presión comparado con las soluciones del estado de la técnica.

Las modalidades en efecto han demostrado que una señal de salida mayor que 0.5 volts por 1 volt de suministro de puente puede ser alcanzada sin rompimiento o fatiga de la membrana. Este resultado es mucho mayor que la técnica anterior de sensores de silicio, para los cuales una señal de salida máxima de solo 0.1 volt por 1 volt de suministro del puente puede ser alcanzado sin riesgo de rompimiento o fatiga de la membrana.

Con referencia ahora a la Figura 15, ilustra como el estrés CT ejercido en la membrana varia a lo largo del eje AM (horizontal en la Figura 15) dirigido a lo largo de su amplitud I, paralelo a la dirección del estrés CT, a partir de un borde localizado en la posición -1/2 (a la izquierda en la Figura 15) al otro borde localizado en la posición +1/2, para una presión dada. La membrana 49 funciona solamente en compresión MC (es decir, la membrana no funciona en tensión MT) , lo cual significa que los niveles de estrés mucho mayores que aquellos obtenidos por los sensores de la técnica anterior se pueden obtener en la región elástica del silicio.

La Figura 16 muestra una modalidad alternativa del sensor de conformidad con la invención en el cual la membrana sensitiva 49 está conectada a la pared lateral 56 del primer sustrato 25 del chip mediante arcos 54 formados en la cavidad 9. Estos arcos forman reforzamientos que permiten a la membrana 49 incrementar su resistencia a los estreses mecánicos a que se somete.

Estos arcos 54 conectan las paredes interiores de la cavidad 9 a la pared inferior 4 de la membrana 49, y son perfilados en una dirección sustancialmente paralela a la longitud L de la membrana.

Los radios de curvatura R de los arcos 54 pueden ser iguales a aproximadamente 50 micrometros.

De conformidad con otra modalidad, mostrada en la Figura 17, la distancia d entre primero cada lado largo L de la membrana 49 y segundo el lado lateral externo 26 de la pared del sustrato de silicio 25 al cual está conectado es relativamente pequeña. La distancia d es por ejemplo entre aproximadamente 100 micrometros y 1 milímetro, y menos de tres veces la altura de la cavidad. En esta configuración, el chip no tiene ranuras. El arreglo es de manera que la presión P es transmitida a la membrana por los lados laterales externos 26 formando los lados largos del chip. En esta otra modalidad, los lados laterales externos 26 del chip de ME S conectados a los lados largos de la membrana sensitiva 49 actúan como paredes laterales 56 (las paredes laterales no son creadas más por las ranuras 51) y transmiten una fuerza de compresión a la membrana bajo el efecto de la presión externa .

En este ejemplo de modalidad, ranuras en el chip son evitadas mientras se beneficia de una membrana la cual funciona solamente en compresión. Este efecto es controlado ajustando la relación entre la altura de las paredes laterales 56 y la altura de la cavidad 9 (o el espesor de la membrana) .

La Figura 18 muestra el circuito de detección de estrés 31 en la membrana 49. Tal circuito comprende un arreglo de puente Wheatstone, que comprende componentes piezorresistivos 5a, 5b, también llamados piezorresistores o calibres de estrés cuyas resistividades varían cuando son sometidos a estrés mecánico.

De conformidad con la invención, los calibres de estrés 5a, 5b están posicionados en el centro de la membrana, área de estrés máximo, con el fin de obtener una fuerte señal de salida del puente.

Como se muestra previamente en la Figura 7, se observa que el factor de calibre de silicio depende de la temperatura, la cual conduce, por un puente energizado por un voltaje fijo, a un voltaje de salida de puente no solamente dependiente de la presión sino también de la temperatura, un efecto conocido como derivación térmica de la sensibilidad del sensor.

Los piezorresistores pueden ser altamente dopados con el fin de limitar este efecto de alteración.

Sin embargo, este dopado reduce la sensibilidad a la presión de los elementos sensitivos, el valor transversal y longitudinal absoluto del factor de calibre a ser menor en altas concentraciones de dopado.

Otro procedimiento consiste en energizar el puente con corriente. La pérdida en sensibilidad del puente de calibre con relación al incremento de temperatura puede en efecto ser compensada incrementando el voltaje de suministro del puente.

Una concentración de dopado es por lo tanto elegida de manera que la sensibilidad térmica de la resistividad del silicio dopado se compensa tan cercanamente como sea posible para la sensibilidad térmica de su factor de calibre.

La Figura 19 proporciona valores de sensibilidad térmica de la resistividad del efecto piezorresistivo AR (en ppm/°C) registrado experimentalmente, mostrando que para una concentración de dopado CB de aproximadamente 5.1019 átomos de boro por era3, los efectos se compensan entre si (punto de compensación óptimo PO) . Debido a estos mejoramientos, sin embargo, el elemento sensitivo retiene una sensibilidad térmica residual de aproximadamente 1%, lo cual debe ser compensado con el fin de alcanzar los niveles muy altos de desempeño metrológico esperado (exactitud de aproximadamente 0.01 %) .

El método propuesto es colocar uno o más detectores de temperatura de resistencia (RTDs) 55a, 55b producidos en la misma oblea de silicio como los piezorresistores 5a, 5b, en el mismo chip y cerca del puente de calibre.

Esta solución se integra fácilmente en el proceso de manufacturación del chip, sin incrementar el costo puesto que no se agregan etapas.

Una solución conocida para reducir la sensibilidad térmica residual del elemento sensitivo consistes en colocar un detector de temperatura de resistencia en el marco rígido del chip de MEMS, lejos de los estrés de membrana.

Este procedimiento es satisfactorio para sensores de intervalo de presión bajo pero presenta problemas a alta presión. Para presiones de varios cientos de bars, en efecto, el estrés en el marco no puede ser abandonado y los efectos de los piezorresistores aparecen en los detectores de temperatura de resistencia.

De conformidad con la invención, los detectores de temperatura de resistencia (RTD) 55a, 55b son posicionados a lo largo de un eje cristalino cuyo factor de calibre es cero. En este caso, los detectores 55a, 55b son posicionados longitudinalmente a los ejes cristalinos <100>.

Además, de conformidad con la invención, y con referencia a la Figura 20, los detectores de temperatura de resistencia (RTD) 55a, 55b toman una geometría especial, en la forma de una pluralidad de cheurones conectados en conjunto en sus extremos laterales.

A través de este arreglo, y como se muestra en la Figura 6, los factores de calibre longitudinal y transversal son cero en el eje cristalino <100>. Esto minimiza la sensibilidad a la presión de los detectores de temperatura de resistencia (RTD) 55a, 55b.

La presión y temperatura de la respuesta del puente y de los detectores 55a, 55b son calibrados para compensar los efectos térmicos y alcanzar una exactitud de 0.01%, un valor el cual es algo mayor que aquel en el estado de la técnica actual.

Con referencia a hora a la Figura 21, la cual es una representación diagramática del proceso de manufacturación del chip de conformidad con la invención. Este tipo de proceso incluye las siguientes etapas: • Etapa 1: dopar una oblea de silicio en aislador (SOI), por ejemplo con boro para dopado de calibres de tipo P por implantación iónica; • Etapa 2: producir los piezorresistores y los RTDs por fotolitografía de la capa delgada del silicio microcristalino; • Etapa 3: pasivar la capa de silicio por oxidación térmica ; • Etapa 4: abrir los contactos de los detectores, preformar la deposición y fotolitografía del metal para hacer las conexiones entre el puente y los contactos eléctricos; • Etapa 5: formar la membrana por "DRIE" (Grabado químico de Ión Reactivo Profundo) . El espesor de la membrana es controlado para obtener el intervalo de presión requerido; • Etapa 6: formar las ranuras por DRIE en el lado frontal para definir las estructuras de compresión lateral; • Etapa 7: crear la estructura de desacoplamiento del remache central por micromaquinado DRIE de otra oblea de silicio; • Etapa 8: ensamblar las dos obleas usando una oblea de vidrio y una unión electrostática bajo vacio. Las cavidades son por lo tanto elaboradas colectivamente; • Etapa 9: probar la oblea eléctricamente, bajo punto, y cortar tal oblea con una sierra de diamante. Los chips están listos para ensamble en la caja del sensor.

Como se explica previamente, el puente Wheatstone está conectado directamente al dispositivo de adquisición de datos mediante medios de conexión 41 compuestos de elementos de conducción tales como cilindros metálicos los cuales transmiten mediante la alimentación de paso de presión y los cuales conectan la salida del puente en la entrada del amplificador diferencial inteqrado en el dispositivo de procesamiento de datos.

Puesto que los intervalos de operación en la salida del puente son diferentes de aquellos en la entrada del convertidor análogo digital, el voltaje de salida del circuito de detección de estrés debe ser adaptado al voltaje de entrada del convertidor. Esta adaptación se lleva a cabo tradicionalmente usando un amplificador diferencial.

De conformidad con la invención, el circuito de detección de estrés, que comprende el puente Wheatstone, es desequilibrado, de manera que el intervalo de voltaje de salida del puente para una presión que corresponde a la presión en el fondo del pozo corresponde a un voltaje cercano a cero.

Con este arreglo, una alta ganancia puede ser usada en el amplificador sin saturar su salida, con ello usando el intervalo total del convertidor del dispositivo de adquisición de datos en la zona de medición útil.

Típicamente, este ajuste de puente inicial se obtiene cambiando de manera deliberada las dimensiones de los resistores longitudinales con respecto a los resistores transversales .

El desequilibrio del puente se usa para adaptar el intervalo de salida del puente al intervalo de entrada del voltaje del dispositivo de adquisición de datos por un intervalo de presión predefinido.

Esta adaptación optimiza el desempeño del sistema de adquisición de datos en el intervalo de presión alrededor de la presión del fondo del pozo y por lo tanto mejora la exactitud del muestreo de los valores a partir del puente alrededor del intervalo de medición útil.

Por ejemplo, si el convertidor análogo-digital tiene una referencia de entrada de 1 volt, y el chip de MEMS tiene una resistividad de 0.25 mV/bar y un voltaje de salida de puente, para una presión de 1000 bars, igual a 0, la compensación será posible para aplicar un factor de ganancia de 40 en el amplificador de entrada, por lo tanto cubriendo con presiones de alta resolución de 900 bars hasta 1100 bars, que corresponden a los valores de referencia en el fondo del pozo, y de este modo mejorando la exactitud de muestreo para este intervalo de valor.

La Figura 22 proporciona una descripción esquemática del voltaje de desequilibrio del puente TD como una función de la presión PR para el chip de MEMS optimizado. Altos niveles de ganancia pueden por lo tanto ser usados para el circuito de interfaz y la relación de señal a ruido de la electrónica puede ser incrementada. En la Figura 22, SM representa la máxima señal al rompimiento, OI es la compensación inicial, PM la presión máxima, PP la presión en el pozo, GOC el intervalo de medición de presión completa, GHR el intervalo de medición de presión a alta resolución, y GTS el intervalo de resistencia de exceso de presión.

Usando este procedimiento, una resolución de aproximadamente 0.1 ppm puede ser alcanzada en el intervalo de interés, mucho mayor que la técnica anterior. El desequilibrio del puente se obtiene ajusfando la geometría de los calibres longitudinales con respecto a los calibres transversales .

Además, para limitar el consumo eléctrico del sensor debido en particular a las mediciones de temperatura, presión y a la comunicación de estos datos, el sensor de conformidad con la invención está diseñado para tomar mediciones continuas durante periodos de tiempo limitados, preferiblemente menos de un segundo.

De conformidad con la invención, se identifican dos modos de operación de sensor, un modo normal y un modo "de espera", para ser elegidos por el usuario.

En modo de operación normal, el sensor es programado para tomar mediciones de temperatura y presión cada segundo.

Cuando el usuario elige una frecuencia de medición inferior, es decir, un periodo más largo T, el sensor es cambiado al modo "de espera", es decir, no tomará mediciones durante un periodo ?" igual (T-l) segundos, cuando toma las mediciones necesarias durante el último segundo del periodo T.

La autonomía del sensor localizado en el fondo del pozo es por lo tanto mayor, lo cual significa que la energía de la batería es recargada de manera menos frecuente.

Además, para minimizar el consumo eléctrico del elemento sensitivo, los piezorresistores deben tener un alto valor .

La energía disipada es expresada por la relación P= V2/R, la cual, con un voltaje de 1 volt y un consumo de energía objetivo de 100 micro Watts, proporciona una resistencia del puente de 10 kOhm. Puesto que los niveles de dopado objetivos son relativamente altos por razones explicadas anteriormente, los resistores extremadamente alargados, típicamente de una relación de longitud a amplitud de aproximadamente 100, son requeridos. La geometría del puente debe por lo tanto ser optimizada de manera que un gran número de cuadrados pueden ser posicionados en el área de máximo estrés de la membrana.

Además, las conexiones de metal se mantienen lejos de las áreas de estrés de la membrana para evitar la histéresis y problemas de variación los cuales podrían ser asociados con la presencia de estos materiales relativamente inestables cerca de los elementos sensitivos.

El sensor de presión descrito en la invención puede ser usado para registrar la presión con una resolución de medición muy alta, en particular en el área cerca del intervalo de presión nominal del pozo.

El sensor de presión encuentra una aplicación particular, aunque no limitativa, en el dominio de exploración, producción y transporte de aceite y gas. Más en general, el sensor de presión puede ser usado en aplicaciones de un ambiente severo donde la presión puede extenderse desde unos cientos bars hasta más de 2000 bars.

El sensor de conformidad con la invención también incluye características que lo hacen autónomo y le permiten ser operado de manera remota de la superficie y sin alguna intervención humana, bajo condiciones de operación variadas (secuencias de adquisición rápidas y lentas dependiendo del fenómeno a ser observado) . Además, el sensor puede comunicarse en tiempo real primero con otros sensores y segundo con la superficie, para ajustar las operaciones a llevar a cabo en el pozo de conformidad con el fenómeno observado en el fondo.

Obviamente, la invención no está limitada a los tipos de modalidad de este sensor de presión, descrito anteriormente como ejemplos, sino por el contrario, abarca todas las variantes.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Sensor de medición de presión de fluido que comprende un chip de MEMS de sistema microelectromecánico, caracterizado porque: - el chip de MEMS comprende dos paredes laterales, una membrana sensible conectada a tales paredes laterales y una cavidad sellada; las superficies exteriores de las paredes laterales y la membrana sensitiva están expuestas a la presión de fluido; las paredes laterales están diseñadas para someter la membrana sensitiva a un estrés de compresión transmitido por las paredes laterales opuestas donde tales paredes laterales están conectadas a la membrana sensitiva de manera que la membrana sensitiva funciona en compresión solamente; y - el chip de MEMS también comprende un circuito de detección de estrés para medir el estado de compresión de la membrana sensitiva el cual es proporcional a la presión del fluido .

2. Sensor de presión de fluido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la membrana sensitiva tiene una forma rectangular que comprende dos lados largos (L) , y en donde las dos paredes laterales opuestas conectadas a la membrana sensitiva por sus dos lados largos (L) están diseñadas para someter la membrana sensitiva a un estrés de compresión en una dirección perpendicular a los lados largos (L) .

3. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cavidad se llena con un gas cuya presión de referencia es menor que la presión del fluido.

4. Sensor de presión de fluido de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque las dos paredes laterales son formadas por ranuras cortadas en un sustrato del chip de MEMS.

5. Sensor de presión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la membrana sensitiva está conectada al chip de MEMS mediante arcos cuyo radio de curvatura (R) es igual a aproximadamente 50 micrómetros.

6. Sensor de presión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la membrana sensitiva tiene una forma rectangular cuya longitud (L) es mayor que dos veces su amplitud (I) .

7. Sensor de presión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el circuito de detección de estrés comprende calibres transversal y longitudinal posicionados en el centro de la membrana sensitiva.

8. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el chip de MEMS comprende al menos un detector de temperatura de resistencia diseñado para medir el efecto de la temperatura orientada a lo largo de un eje cristalino por el cual los factores de calibre longitudinal y transversal son cero.

9. Sensor de presión de fluido de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque los detectores de temperatura de resistencia toman la forma de una pluralidad de cheurones conectados en conjunto en sus extremos laterales .

10. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el chip de MEMS está unido, mediante una superficie de contacto de área más pequeña que el chip de MEMS, a un cuerpo sensor .

11. Sensor de presión de fluido de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque tal superficie de contacto entre el chip de MEMS y el cuerpo sensor comprende un remache central y un borde periférico, el área de tal superficie de contacto entre el chip de MEMS y el cuerpo sensor es menor que 50 % del área del chip de MEMS.

12. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el circuito de detección de estrés comprende un arreglo de puente Wheatstone, tal circuito es desequilibrado de manera que un intervalo de salida de voltaje del puente, para una presión que corresponde a la presión del fondo del pozo, corresponde a un voltaje cercano a cero.

13. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un valor de referencia de la salida del circuito de detección de estrés corresponde a un origen de un intervalo de entrada de un dispositivo de procesamiento de datos conectado al chip de MEMS.

14. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende también una alimentación de paso de presión arreglada entre el alojamiento del cuerpo y un elemento de soporte del chip de MEMS, tal alimentación de paso de presión comprende al menos un elemento de conducción diseñado para permitir una conexión eléctrica entre un dispositivo de procesamiento de datos y el chip de MEMS.

15. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la membrana sensitiva es sometida a la presión del fluido para ser medida por otro fluido inerte separado del primer fluido por un diafragma de protección de formable.

16. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 3, 5 a 15, caracterizado porque los lados largos de longitud (L) de la membrana sensitiva son separados de las paredes laterales externas del chip de MEMS por una distancia (d) de entre aproximadamente 100 micrometros y 1 milímetro.

17. Sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una altura de las paredes laterales es al menos cinco veces mayor que un espesor de la membrana sensitiva y un espesor de las paredes laterales aproximadamente tres veces menos que tal altura.

18. Sonda de medición de presión de fluido, caracterizada porque comprende un sensor de presión de fluido de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes .