用于油井井下环境的MEMS应变传感器

杨汇鑫 宋业生 胡龙京 杨伟兵

摘要：本文给出来一种应用于油井井下恶劣环境下的SiC MEMS谐振应变传感器。该传感器是一个质量平衡双端音又(BDETF)，由沉积在硅基板的3C-SiC薄膜制备而得。该器件在大气环境下，从室温到300℃以上均可振荡。对该器件施加10000g的冲击(垂直于器件表面)而无损失和谐振频率漂移。该传感器具有66Hz／με，这与目前的硅传感器相当。

关键词：碳化硅

应变传感器

微机电系统

中图分类号：TN913文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0069-02

随着中国经济的迅速发展，全社会对能源的需求急剧膨胀，人们对石油工业的相关技术的要求也越来越高。近些年来，石油工业技术取得了显著的发展。在勘探方法和勘探技术方面，从简单的传统钻井工艺逐步发展到喷射钻井、大位移井、欠平衡钻井和多分支水平井。地层勘探技术更是从无到有，从模拟记录阶段迅速发展为数字地层、三维地层、四维地层。测井技术从模拟记录测井发展至数字测井、成像测井和核磁测井。所勘探的目标亦从背斜圈闭、构造圈闭，发展到复杂隐蔽的地层圈闭、岩性圈闭、深部潜山、礁体以及盐下圈闭等等。所勘探的地区从单一的陆上浅层，发展到沙漠、极地等边缘地区以及深层、滩海和广阔的大陆架海域。

目前油田开采向着深海、大深度方向发展，油井随着深度的加深，环境会变得更加恶劣，井下温度逐步升高，压力增大，因此对井下参数的测量难度会加大，传统技术将可能无法有效测量。然而，油井井下温度、压力、振动等参数又是生产测井中必不可少的测量参数。精确的参数测量对于地质资料解释和油井监测等均具有重要意义，尤其在稠油热采工艺中。

谐振型传感器一般用于精确测量，因其具有高灵敏度和频率输出值可被精确测量。硅梳驱动双端音叉(COmb-drivendouble-ended tuning fork，CDDETF)已经被用于加速度计、陀螺仪和应变传感器应用。由于其高精度，应变传感器可用于机器人手柄的力反馈和建筑监控。但硅器件并不适合恶劣环境的应用，这是由于硅材料特性会在500℃变质，硅电路无法在150℃工作，就不适合油井井下数据采集。

碳化硅(silicon carbide，SiC)能替代硅用于应用于恶劣环境。SiC比硅具有更大的刚度和断裂强度，也更耐腐蚀、氧化和腐蚀。多晶的3C-SiC(poly-SiC)能用化学气相沉积工艺直接制备在绝缘材料(例如SiO，Si₃N₄)上，可以在SiC MEMS结构中用于单层或者多层结构。单晶的6H-SiC具有大禁带宽度，低扩散性，可代替si用于强辐射，高温和强腐蚀环境。因此，SiC可以将MEMS谐振应变传感器应用于恶劣环境。

本文报道了表面微加工技术制备的基于多晶SiC质量平衡双端音叉(balanced massdouble-ended tuning fork，BDETF)的应变传感器。该传感器可用于油井井下环境的应变检测，并取得与目前硅谐振应变传感器相当的灵敏度，并能在空气中300℃以上的高温下工作。该器件可承受10000g的冲击而无损坏和谐振频率漂移。传感器的设计、制作和测试如下所示。

1设计

MEMS传感器应用得最多的是CDDETF谐振器，使用静电梳阵列来驱动和检测齿反射。虽然MEMS由于其自身惯性小，可以承受一般的机械冲击，但我们想提高传感器的抗震能力以满足井下检测的需求。影响CDDETF抗冲击能力的主要是其连接左右齿的那根水平梁过长，导致其受到大的冲击(尤其在垂直于器件表面)时造成损坏。为此我们将其缩短了，得到了BDETF。

2制作

SiC应变传感器的制作工艺流程和硅传感器非常类似，除了最后将硅层换成poly-SiC层而已。在一块四英寸的n型(100)硅片上制备一层SiO₂和低应力的氮化硅并制备出与基板进行电气连接点。接下来使用CVD再沉积一层多晶硅，并用湿法工艺制备出相应的图案(126HNO₃：66H₂0：5NH₄F)以获得电气引线。在这个基础上，一个额外的氧化层使用CVD沉积在多晶硅层上并950℃褪火1h，该层将被用作牺牲层。在牺牲层上制作出用于电气连接的位置后，制备最后的poly-SiC层。

具有低应力、低电阻的氮掺杂poly-SiC层由CVD工艺沉积而得。薄膜是在900℃沉积，使用Sill，C12(100％)和C2H2(5％在H，中)作为Si和C前体，NH₃(5％在H，中)作为掺杂源气体，三者流量分别为35，180，64sccm。根据所要的厚度来调节沉积时间。

对poly-SiC层使用干法刻蚀。以往的反应气体的选择性不好，不得不使用金属掩膜，但是金属掩膜的刻蚀效果不好，还会造成污染。因此在这里改变了工艺，使用的反应气体为HBr(125sccm)和C12(75sccm)，Si02和氮化硅作为掩膜，气压为9.3Pa时刻蚀速率为250nm／min，选择比为5：1。

最后刻蚀掩膜和牺牲层使用5：1的BHF去除。

驱动传感器的方波振荡器由分离式元件和PCB电路板组成。该振荡器锁定在传感器的谐振频率上，即使有很大的引线电容。

为检测传感器对温度的响应，传感器和P CB板置于一块铝板上，铝板上打了一个孔，传感器刚好用PCB板架在孔的上部，下方有一個红外灯通过孔对传感器进行加热，PCB板由于没有被直接加热，温度略低。该灯可以调整功率和加热时间来调节温度，传感器可被加热到320℃以上。通过安放在传感器和PCB板上的K型热电偶对温度进行测量。温度的精度不超过±5℃。传感器的输出频率由ss7200频率计数器(石家庄无线电四厂)测量并记录到计算机中。

机械冲击实验在一个加速冲击台上完成。冲击台上有一个铁块，传感器用环氧树脂胶固定在铁块上一个事先准备好的凹坑里。一个小配重台上可安装若干铝锭，用于直接撞击铁块。

3结果与讨论

SiC应变传感器的频率对应变响应如图2所示。从图中可看出，传感器的频率响应对应变具有较好的线性度，R₂=0.9997，灵敏度达到66Hz／με。

SiC传感器对温度的响应如图4所示。实验发现，该器件可在空气中300℃以上工作，经反复升降温实验发现，器件无明显的滞后现象，除第一次升温以外。第一次升温后回到室温，出现了较小的频率抵消。这是由于沉积薄膜的应力弛豫。这个可以通过产品出厂前进行加热循环来解决。当温度高于100℃时，频率漂移主要是由于poly-SiC与硅基板之间的热膨胀系数不匹配，其变化率为-20Hz／℃。然而，低于100℃是频率几乎无变化，看来两者的热膨胀系数差是随着温度变化而变化的。

机械冲击实验中的加速周期大约为100 μs，对10000g的冲击器件无明显的损坏，并且经历冲击后仍可以正常工作，频率没有明显的漂移。由于冲击实验台最大只能提供10000g，所以传感器的抗冲击能力肯定更高，但目前无法获知。

4结语

本文对一种SiC BDETF应变传感器进行研究。为提高器件抗机械冲击和耐高温能力，采用了poly-SiC材料和BDETF结构。BDETF缩短了连接齿的水平梁，使得能承受10000g的冲击，受冲击前后传感器均能正常工作，并且频率无明显变化。Sic耐高温能力明显优于常用的硅，可工作在300℃的高温下，另外其还具有较好的耐腐蚀性。该传感器使用方渡振荡器驱动，对应力的灵敏度为66Hz／με，这与目前的硅CDDETF应变传感器相当。