一种三分量重力仪探头及井中重力仪系统的制作方法

本实用新型属于精密仪器领域，更具体地，涉及一种三分量重力仪探头及井中重力仪系统。

背景技术：

地下重力测量是指在钻井、竖井中垂直地进行重力测量，以及在矿区的不同平巷中水平或者垂直地进行的重力测量。在钻井和竖井中的重力测量研究重力垂直分量随深度的变化，该变化是由地下密度不均匀体的垂向和横向位置的变化所引起的。坑道中的重力测量原理与地面重力测量相类似，可提供坑道附近横向密度变化的资料。在尺寸较大的竖井或者坑道中进行地下重力测量时，可采用常规的地面重力仪；而钻井中的地下重力测量则必须采用井中重力仪。

目前国外井中重力仪主要有ESSO公司井中重力仪、苏联地球物理所TCK--130井中重力仪、L&R公司井中重力仪，国内很少有单位研制井中重力仪。以L&R公司井中重力仪为代表，它的整个仪器的核心元件即重力传感器通过绝热、恒温、防磁屏蔽以及补偿大气压力变化等措施予以保护，并有电动机驱动的万向架式调平系统来完成在井下对重力传感器的实时调平。仪器的最小直径为100mm，可在井斜14°，环境温度为200℃，及环境压力为172MPa的高压下连续工作30小时，重力测量精度为3μGal。在3米的垂直间隔内相应的密度测量精度为0.01g/cm³，可用于陆上及海洋的钻井重力测量。

井中重力测量通过在井中一系列根据测井图选定的测点停放井中重力仪及读数来进行。测出一系列的重力垂直变化Δg及相应的深度差Δz，就可以根据公式计算出岩层的密度σ为：

G为万有引力常数，F为自由空气梯度，c为校正值之和。井中垂直重力测量得到的密度能够达到0.01g/cm³的精度。

目前，商用的井中重力仪已经被广泛应用在储集层评价，确定孔隙沉积；盆地密度规律研究，精确估计井中地层密度；油气勘探开发，确定天然气饱和带，发现含油气层位及远处孔隙带；对抽油引起的钻井变化进行监测等领域。商用井中重力仪也优化到了较高的精度，例如LRS公司的Gravilog类似CG5石英型井中重力仪分辨率达到1μGal，重复性达到7μGal，耐温达70℃。ESSO公司研制的第一台井中重力仪是振弦型的，基本元件是一根细钨丝悬挂一个铂块，通过电子系统施加激励，并通过监测因重力变化而引起的振弦系统频率变化，从而获取相对重力值。该仪器外径为102mm，恒温温度保持在125℃，可以在偏离铅直方向4°左右正常工作，每次读数约为5分钟，同一测点经多次读数可达精度约为10μGal。但是目前已有的井中重力仪的测量精确度、稳定度、尺寸等仍然达不到钻井和竖井中的需求。且现有的井中重力仪仅能实现标量重力测量，无法实现矢量重力测量。矢量重力测量能测定整个重力扰动矢量，即扰动引力的三个分量，可以获得更为详细的重力异常信息，较标量重力测量有明显优势。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种井中重力仪及集成系统，其目的在于在有限的体积内实现三分量重力测量，由此解决目前现有的井中重力仪因敏感单元尺寸过大无法实现矢量重力测量的技术问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种井中重力仪，包括：

结构相同的X轴重力敏感单元、Y轴重力敏感单元和Z轴重力敏感单元；X轴重力敏感单元用于实现测量重力沿X轴方向的加速度；Y轴重力敏感单元用于实现测量重力沿Y轴方向的加速度；Z轴重力敏感单元用于实现测量重力沿Z轴方向的加速度；

X轴重力敏感单元包括：弹性结构、检验质量块以及支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体连接；

X轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同X轴方向相同，

Y轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Y轴方向相同，

Z轴重力敏感单元中的弹性结构的位移移动方向同Z轴方向相同。

优选地，X轴重力敏感单元通过对半导体晶片进行微纳加工处理后获得。

优选地，对半导体晶片进行微纳加工处理具体为：

在包括依次层叠放置的器件层、牺牲层以及支撑层的半导体晶片的器件层上刻蚀弹簧质量块初始结构；

在所述半导体晶片的支撑层上与弹簧质量块初始结构对应的区域刻蚀通孔使牺牲层暴露，并去除与弹性结构和检验质量块接触的牺牲层，获得X轴重力敏感单元；

其中，弹簧质量块初始结构包括与牺牲层接触的弹性结构、与牺牲层接触的检验质量块以及与牺牲层接触的支撑体，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体上部连接。

优选地，半导体晶片的器件层为厚度在300微米～1000微米之间。

优选地，三分量重力仪探头还包括：

结构相同的X轴位移传感组件、Y轴位移传感组件以及Z轴位移传感组件；

X轴位移传感组件包括通过在半导体晶片检验质量块上附着金属层方式获得的移动极板以及在衬底上附着金属层的方式获得的固定极板，用于将重力沿X轴方向的加速度转化为电信号。

优选地，三分量重力仪探头还包括：结构相同的X轴信号处理电路、Y轴信号处理电路以及Z轴信号处理电路，

X轴信号处理电路的输入端与X轴位移传感组件的输出端连接，用于检测电信号，并对电信号进行放大处理。

优选地，三分量重力仪探头还包括三个基板和本体，三个基板依次记为X轴基板、Y轴基板以及Z轴基板，本体上端呈方形；

同一个轴上的重力敏感单元、位移传感组件以及信号处理电路均安装于对应的基板上，基板安装于本体上端的一个面上；且本体上X基板安装面、Y基板安装面以及Z基板安装面不同。

按照本实用新型的另一方面，提供了一种井中重力仪系统，包括：

三分量重力仪探头，用于实现三分量重力测量，

伺服调平机构，其运动端与三分量重力仪探头的连接，用于调整三分量重力仪探头的姿态；

控制电路，其输出端与伺服调平机构的控制端连接，用于根据输入端指令信号输出控制信号，使伺服调平机构按照指令信号调整三分量重力仪探头的姿态；

电源模块，其第一输出端与三分量重力仪探头的电源端连接，其第二输出端与伺服调平机构的电源端连接，其第三输出端与控制电路的电源端连接，用于为三分量重力仪探头、伺服调平机构以及控制电路提供电源。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本实用新型提供一种三分量重力仪探头，通过三个方向的重力测量模块，实现X轴方向、Y轴方向以及Z轴方向的重力测量，能够实现井中的三分量重力测量。

2、通过在半导体晶片的器件层进行刻蚀处理后获得上单轴弹性结构、下单轴弹性结构、单轴检验质量块以及支撑体，可以获得非常精细的10-50μm厚度的硅基弹簧类柔性结构。由于硅基弹簧类柔性结构的厚度在10-50μm的范围内，在很小的弹簧长度的情况下，也即有限的面积内就可以获得极低的刚度，达到与传统重力传感器相当灵敏度的芯片级重力传感器。本实用新型中使用的自主研发的单轴重力敏感单元尺寸在14mm×14mm×1.5mm，可以通过多个单轴重力敏感单元高度集成的方式实现三分量的重力测量，三分量重力仪探头的封装后的外形尺寸为Φ45mm×70mm。并同时满足在对体积要求非常高的深度钻井(如孔径小于50mm)中应用。

3、重力敏感单元使用硅基一体化加工得到，避免了传统加工中不同部件间连接点不稳定的问题，使得重力敏感单元有更好的稳定性；

4、本实用新型提供了一种三分量重力仪探头，能够实现高精度、高稳定性的矢量重力测量，同时使三分量重力仪探头的体积和质量都得到有效地减小，制作成本也能得到有效地降低。

5、器件层的厚度选择在300微米～1000微米之间，使用SOI片较厚的硅层通过深硅刻蚀工艺加工弹簧质量块结构可以获得较低的机械热噪声的同时，并不影响位移传感灵敏度，从而总体提高MEMS惯性传感器的精度。三分量重力仪探头本征频率可以达到50Hz及以下，重力敏感单元在1g重力作用下通过变面积电容位移传感的量程为10000mGal。分辨率达到5μGal，重复性达到7μGal。

6、重力加速度传感器可实现批量生产，可以有效地降低仪器的生产成本。

附图说明

图1为本实用新型提供的重力加速度传感器中包括重力敏感单元和位移传感机构的侧视图；

图2为本实用新型提供的重力加速度传感器中包括重力敏感单元和部分位移传感机构的俯视图；

图3为本实用新型提供的重力加速度传感器中包括重力敏感单元和位移传感机构制备结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的单轴重力测量模块的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的无外壳保护的三分量重力仪探头的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的有外壳保护的三分量重力仪探头的结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的井中重力仪集成系统的结构示意图；

在所有附图中，X，Y轴表示水平方向，Z轴表示重力方向，g表示重力加速度矢量，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为支撑体，2为检验质量块，3为弹性结构，4拾取电容极板，5负驱动电容极板，6正驱动电容极板，7衬底，8重力加速度传感器，9信号处理专用集成电路(ASIC)，10电子元器件，11安装孔，12Z轴重力测量模块，13X轴重力测量模块，14Y轴重力测量模块，15第一基座，16安装孔，17第二基座，18电气接口，19外壳，20安装螺纹，21仪器接头，22接口，23电源，24控制电路，25隔热材料，26三分量重力仪探头，27外壳，28伺服调平系统，101器件层，102牺牲层，103支撑层，104金属电容极板，105封装接触点，106刻蚀槽，107释放孔，108封装接触点，109引线键合点。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本实用新型提供的重力加速度传感器中包括重力敏感单元和位移传感机构的侧视图；图2为本实用新型提供的重力加速度传感器中包括重力敏感单元和部分位移传感机构的俯视图；重力敏感单元包括弹性结构3、检验质量块2和支撑体1，弹性结构3可以为弹簧结构或类弹簧挠性机构，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块位于支撑体内部，检验质量块通过弹性结构与支撑体连接，使得重力敏感单元是弹簧质量块系统，上述重力敏感单元通过微纳技术制造。

位移传感组件包括正驱动极板6、负驱动极板5以及拾取极板4，其中，拾取极板4在重力敏感单元中检验质量块2上，正驱动极板6和负驱动极板5均位于衬底7上，正驱动极板6、负驱动极板5及拾取极板4构成差分变面积位移传感组件，衬底7通过封装的方式与重力敏感单元的框架1固连。驱动极板与拾取极板的位置可以互换，即正负驱动极板可以在质量块2上，拾取极板在衬底7上。另外，位移传感组件可以是以一对正负驱动极板与一个拾取极板组成周期单元的多周期阵列配置方式。

工作中，三分量重力仪探头处在重力环境中，检验质量受到的重力与弹簧形变产生的弹力达到平衡，检验质量处于某一个平衡位置；三分量重力仪探头所处环境的重力加速度发生变化时，弹簧形变会随之变化使弹簧产生的弹力与重力平衡，使检验质量发生位移达到一个新的平衡位置。

重力加速度传感器8在感受到重力加速度变化时，检验质量块2所受的重力发生变化，弹簧结构3的长度受力发生相应变化致使检验质量块2产生于重力加速度变化成比例的位移变化；检验质量块2上的电容拾取极板4与衬底7上的驱动极板5、驱动极板6所重叠的面积发生变化，致使相对应的电容值发生变化。

电容拾取极板4、驱动极板5以及驱动极板6构成的位移传感组件将检验质量2的这一位移转化为电容量。通过信号处理ASIC电路9将并和配合其他电子元器件10，将电容变化转换成与位移成比例的电压信号，并对电压信号进行放大、滤波等处理。经过换算，输出的电压信号与重力加速度的变化信号成比例关系，从而实现重力测量。

本实用新型提供的重力加速度传感器中包括重力敏感单元和位移传感机构的所采用的材料为SOI晶圆片，SOI晶圆片包括器件层101、牺牲层102以及支撑层103，器件层101的厚度选择在300微米～1000微米之间。在本实施例中，器件层101厚度500μm，牺牲层8厚度1μm，支撑层9厚度100μm。器件层7可以为硅层，牺牲层8可以为SiO2层，支撑层9可以为硅层。

制备重力加速度传感器中包括重力敏感单元和位移传感机构，包括如下步骤：

(1)在SOI硅片器件层101上完成金属电容极板104和封装接触点105的制作，具体包括如下步骤：

(1-1)对硅片进行有机洗及氧等离子体清洗；

(1-2)采用电子束蒸发在硅片表面镀厚度为40nm钛，厚度为200nm金；

(1-3)在金属层表面进行光刻，形成掩膜，掩模图形包括金属电容极板图形块104和封装接触点图形块105。

(1-4)将掩膜好的样品放入金刻蚀液中，10min后用流动的去离子水冲洗3min；

(1-5)再将该硅片放入钛刻蚀液中，2min后用流动的去离子水冲洗3min。

(2)在SOI硅片器件层101上形成掩膜，采用ICP深硅刻蚀至牺牲层102，形成刻蚀槽106，完成检验质量块2和弹性机构3的制作，具体包括如下步骤：

(2-1)对在完成金属电容极板104和封装接触点105制作的SOI硅片器件层101进行表面处理，例如氧等离子体清洗，保证样品表面的洁净度；

(2-2)对样品进行光刻，形成掩膜；掩模图形包括弹性结构图形块、检验质量块的图形块以及支撑体图形块，其中，检验质量块图形块位于支撑体图形块内部，检验质量块的图形块单轴弹性结构图形块支撑体图形块连接。

(2-3)将掩膜好的样品放入ICP中进行深硅刻蚀，刻蚀深度为500μm，形成刻蚀槽106，完成检验质量块2和弹性机构3的制作。

(3)在SOI硅片支撑层103上形成掩膜，采用ICP刻蚀硅片，直至暴露出SOI硅片中的牺牲层102，具体包括如下步骤：

(3-1)对样品进行表面处理，例如氧等离子体清洗，保证样品表面的洁净度；

(3-2)在SOI硅片支撑层103上进行光刻，形成掩膜，制作牺牲层释放孔107；

(3-3)将掩膜好的样品放入ICP中进行深硅刻蚀，刻蚀深度为100μm；

(4)采用氢氟酸刻蚀硅片支撑层103暴露出的牺牲层102。具体包括如下步骤：

(4-1)将样品放入氢氟酸溶液中刻蚀牺牲层102，时间为5min；其中，可以采用40％氢氟酸：水按两者的体积比＝1:5得到的氢氟酸溶液，即使用40％浓度的氢氟酸与水按1：5的体积稀释得到的氢氟酸溶液；

(4-2)用流动的去离子水冲洗5min。

(5)完成衬底7上拾取极板4、封装接触点108和引线键合点109的加工。具体包括如下步骤：

(5-1)对玻璃片进行有机洗及氧等离子体清洗；

(5-2)在玻璃片表面匀双层胶，曝光显影后，用流动的去离子水冲洗5min；

(5-3)对样品进行表面处理，例如氧等离子体清洗，保证样品表面的洁净度；

(5-4)采用电子束蒸发在玻璃片表面镀钛40nm，金200nm；

(5-5)将样品放入丙酮中浸泡4-8小时，将金属剥离，放入异丙醇中浸泡3min，用流动的去离子水冲洗3min；

(5-6)将样品放入MIF溶液中浸泡1min，用流动的去离子水冲洗3min。

(6)采用回流焊的方式进行封装，封装后如图3所示。进一步包括如

下步骤：

(6-1)将焊锡球放在SOI硅片的封装接触点105上，在加热板上完成第一步回流过程；

(6-2)将衬底上用于封装的接触点与回流好的焊球接触，对准，放在加热板上进行第二次回流，封装完成。

在本实用新型提供的实施例中，重力敏感单元中的弹簧质量块系统可以由适合微纳加工的半导体材料制备，例如硅。正负驱动极板和拾取极板的位置可以互换，衬底7材料可以是但不仅限于硅，玻璃，石英等。

图4是本实用新型实施例提供的单个重力测量模块的结构示意图，其中，单个重力测量模块包括固定在电路板上的MEMS重力传感芯片8、信号处理专用集成电路(ASIC)芯片9和其他元器件示意，元器件10用于对信号进行进一步的处理，例如滤波，放大处理。元器件10包括但不仅限于电容、电阻、运算放大器等，安装固定孔11在一块电路板上四个角对称分布，与本体通过螺丝固定。

重力传感芯片8包括重力敏感单元和位移传感组件；位移传感组件将检验质量的这一位移转化为某种可以检测的物理量(例如电容、光强等)，位移检测电路通过检测这一物理量检测得到检验质量的位移进而检测到重力加速度的变化。

图5是本实用新型实施例提供的无外壳保护的三分量重力仪探头的结构示意图；图6是本实用新型实施例提供的有外壳保护的三分量重力仪探头示意图。

三分量重力仪探头包括三轴重力测量模块、本体15和外壳；其中，三轴重力测量模块包括Z轴重力测量模块12，X轴重力测量模块13以及Y轴重力测量模块14；X轴重力测量模块13，Y轴重力测量模块14以及Z轴重力测量模块12所处的平面均与水平面成一定夹角，例如90°如或者其它角度，三个重力敏感单元所处的平面两两相互之间成一定夹角，例如120°；单个重力测量模块用于实现单个方向重力测量。各轴重力测量模块由固定在电路板上的重力传感芯片8、信号处理专用集成电路(ASIC)芯片9和其他元器件10组成。

本体设有圆柱状的基座和长方形的装配部分，圆柱状的基座侧面有螺纹，圆柱状基座下方有四个螺纹孔；长方形的装配部分上分布有多个螺纹孔，用于各轴传感模块的安装。圆柱状基座的侧面螺纹用以外壳安装；基座下方有四个螺纹孔用于重力仪的安装。

在本实用新型提供的实施例中，三分量重力仪探头还包括外壳，外壳通过圆柱状基座的侧面螺纹与本体连接，外壳壁厚1.5mm，内侧有与本体配合的螺纹，顶部设置有电气接口，设置在外壳顶部的电气接口用于为重力仪提供电源和重力测量信号的输出，可以但不仅限于线束通过通孔引出或者使用标准电气接口，如DB9等。在三轴重力测量模块安装至本体后，用外壳通过螺纹拧紧固定，从而将整个器件保护起来。

本实用新型实施例中，螺纹是不同尺寸的螺纹，例如：M2，M4等。

在本实用新型实施例中，为了减小重力仪外界的温度变化对振子单元的影响，三分量重力仪探头还包括：本体，固定在腔体内部。同时重力敏感单元的支撑体固定在本体结构的表面。整个器件有外壳包裹，保护器件安全工作。

作为本实用新型的另一方面，本实用新型提供的井中重力仪集成系统的结构示意图如图5所示；

井中重力仪集成系统包括仪器接头21、电气接口22、电源23、井下控制电路24、保护壳25、三分量重力仪探头26以及万向架势伺服调平机构28，其中，仪器接头21用于与外界电路进行电气连接，接口22用于三分量重力仪探头的供电和信号引出，电源23为整个井中重力仪系统供电，井下控制电路24用于控制井中重力仪系统的调平机构等使重力仪能够稳定工作，隔热材料25将整个系统与外界隔离，从而保证整个仪器可以安全工作，万向架势伺服调平机构28用于调节仪器工作的姿态。

将三分量重力仪探头，万向架势伺服调平机构，井下控制电路，电源，接口等集成于一体；将隔热材料包裹在器件外面，以确保整个系统能够正长运行，稳定工作；将外壳27罩在器件外面能够有效保护仪器安全工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。