在非常規(guī)油氣資源開發(fā)過程中，水力壓裂監(jiān)測對于提升地下儲層孔隙度、滲透率以及油氣產(chǎn)能至關(guān)重要。在水力壓裂過程中，壓力與溫度是最關(guān)鍵的監(jiān)測參數(shù)。用于油氣井的壓力傳感器必須能夠在高壓、高溫、機械沖擊以及長期運行等嚴(yán)苛工況下，保持高準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。近年來，MEMS技術(shù)快速發(fā)展，光纖式、諧振式、電容式、壓電式、壓阻式等多種傳感方案已逐步應(yīng)用于井下監(jiān)測，但滿足極端環(huán)境的壓力-溫度一體化解決方案仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對油氣勘探井下應(yīng)用需求，墨西哥華雷斯自治大學(xué)的研究團隊設(shè)計并開發(fā)了一種基于絕緣體上硅（SOI）的壓阻式MEMS壓力-溫度集成傳感器，為井下高溫高壓多參數(shù)傳感提供了新的路徑。相關(guān)研究成果以“SOI-Structured Piezoresistive Pressure Sensor with Integration of Temperature Sensor for Downhole Applications”為題發(fā)表在Sensors期刊上。
這項研究工作開發(fā)的MEMS壓力-溫度集成傳感器，旨在監(jiān)測油氣勘探井底在水力壓裂過程中的環(huán)境狀態(tài)，其設(shè)計目標(biāo)是在90 ~ 115°C的溫度范圍和最高70 MPa的壓力下可靠工作，同時受封裝尺寸限制，整個芯片組件的單邊尺寸需要控制在約2 mm以內(nèi)。綜合工作環(huán)境、芯片尺寸和測量需求，研究人員采用壓阻式壓力傳感與電阻式溫度傳感相結(jié)合的方案，并選用SOI晶圓，以提高器件的熱穩(wěn)定性。
在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，壓力敏感結(jié)構(gòu)采用直徑1550 μm、厚度190 μmm的圓形硅膜片。與矩形膜片相比，圓形結(jié)構(gòu)能夠在周邊形成更加均勻的應(yīng)力和應(yīng)變分布。在溫度傳感結(jié)構(gòu)方面，為減小膜片機械應(yīng)力對溫度測量的干擾，溫度電阻采用縱向與橫向相結(jié)合的蛇形布局，使不同方向產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)相互抵消，從而能夠?qū)囟入娮璨贾迷趬毫γ舾心て吘壐浇诮档蛻?yīng)力干擾的同時提高芯片面積利用率。
該MEMS壓力-溫度集成傳感器基于4英寸SOI晶圓，結(jié)合深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）和陽極鍵合工藝制備。該研究的創(chuàng)新之處在于，一方面通過選擇電阻率為0.015 Ω·cm、厚度為5 μm的p型器件層直接形成壓阻元件和溫度電阻，省去離子注入步驟，從而簡化了制備工藝。另一方面通過埋氧層（BOX）開口、支撐結(jié)構(gòu)與金屬互連路徑，實現(xiàn)了從器件層頂面到支撐晶圓的直接電連接，進而為陽極鍵合過程提供所需電流，并形成密封的壓力傳感腔體。輔助支撐結(jié)構(gòu)還能幫助傳感器承受鍵合過程中的機械載荷，避免敏感結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂。
圖1 蛇形壓阻元件版圖及其在膜片頂部的位置
圖2 溫度傳感單元版圖
圖3 （a）完整的器件版圖，包括四個壓力壓阻元件和四個溫度電阻元件；（b）帶有BOX開口的支撐結(jié)構(gòu)截面；（c）壓阻元件與鍵合支撐結(jié)構(gòu)截面
圖4 MEMS壓力-溫度集成傳感器的制造工藝
圖5 制造完成的MEMS壓力-溫度集成傳感器
為了模擬油氣井底環(huán)境并驗證該傳感器的性能，研究人員開發(fā)了一套經(jīng)濟型高壓測試系統(tǒng)，可在最高55 MPa和150°C條件下對器件進行表征。測試結(jié)果表明，該集成傳感器的壓力傳感單元在0 ~ 55 MPa范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)，靈敏度為0.0268 mV/V/MPa，滿量程最大遲滯為5.3%；溫度傳感單元在32°C ~ 150°C范圍內(nèi)電阻呈二次函數(shù)變化，在140°C時最大電阻變化為8.5%。
圖6 用于壓力-溫度集成傳感器表征的低成本高壓測試裝置
圖7 壓力傳感器信號經(jīng)調(diào)理和放大后，輸出電壓隨壓力的變化
總體而言，這項研究工作針對井下高溫高壓極端環(huán)境的應(yīng)用需求，開發(fā)了一款基于SOI結(jié)構(gòu)的壓阻式MEMS壓力-溫度集成傳感器，并搭建模擬油氣井底工況的測試系統(tǒng)完成了器件的性能驗證。這項研究為非常規(guī)油氣開發(fā)及極端環(huán)境下的井下多參數(shù)監(jiān)測提供了一種極具潛力的解決方案。
論文信息：
https://doi.org/10.3390/s26072076
