专利名称：一种用于石油测井的三维mems加速度计的测量部件及其制备方法
技术领域：
本发明属于MEMS系统设计与应用领域，尤其是一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件及其制备方法。
背景技术：
在油气田的勘探和开发阶段，现场地质工作的重要任务之一就是落实地质构造划分钻井地质剖面。通过确定钻井所穿过的各地质时代地层的层序、埋藏深度、地层厚度和岩石性质了解油气生、储、盖层的构造位置、岩性特征及含油气情况等。完成这些任务除通过钻井取心、井壁取心、岩屑录井等地质方法外，再就是通过测井方法，对岩层各种地球物理性质进行研究，间接地确定岩层的地质特性。另外，还有一些施工中的工程技术问题，也可以通过测井来提供所需要的数据和资料。石油测井按照在油田开采中的不同阶段可以分为:
(O随钻测井——在钻井的同时进行地层参数的测量；
(2)完井测井——钻井完成后，由专业的测井工具对油井地质情况进行测量；
(3)固井测井——测量油井的固井质量；
(4)生产测井——生产阶段的油田每隔一段时间需要进行的测量。在随钻测井中，需要时刻掌握钻头的位置，为此，在钻头上安装加速度计，通过电路反馈回实时的加速度，可以进而确定钻头的位置。但是，传统的加速度计灵敏度不能完全达到钻井的要求，经过几百米的钻井后会产生较大的误差，抗干扰能力也较差。而且，在钻井过程中会产生大量的热量，会使钻头周围的温度上升，从而影响到测量元件的性质。使用MEMS加速度计可以有效的解决这些问题，MEMS 即Micro-Electro-Mechanical Systems (微机电系统)，目前MEMS加工技术被广泛应用于物理，化学，微流控芯片与合成生物学等领域。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。加速度计的基本原理很简单，当悬挂物体的壳体获得一个方向的加速度时，会对他所悬挂的物体施加一个同方向的力，测量这个力即可得到相应的加速度。相对于传统的加速度计，MEMS加速度计具有体积小，精度高，抗干扰，寿命长等优点，MEMS加速度计目前可以分为一下几种类型:
(1)压阻式:利用悬臂梁结构，获得加速度时，悬臂梁会对下面的压敏电阻产生压力，改变电阻阻值，从而可以测量加速度；
(2)电容式:将质量块放入两个电极板中间，测量电容的变化就可以得到加速度的数
值；
(3)隧道效应式:在探针电极和质量块上的检测电极之间施加一个偏置电压，当探针与检测电极之间距离非常近时(nm级别)，他们表面的电子云会发生重叠，施加一个微小的电流，电子就会穿过两个电极之间的势垒，形成隧道电流，通过测量电流可以得出加速度。对于电容式加速度计，不仅需要相对MEMS尺寸较大的空间，而且对来自测量方向上的振动测量效果不好，也不适宜用于井下作业。就加速度计的测量灵敏度和抗干扰能力来说，隧道式加速度计无疑是最好的，但在随钻测井过程中，井下地层的情况是未知的，经常会出现各种状况，极易损坏探针，而随钻测井对各种仪器的寿命、量程等方面的要求是很高的，所以测井时不能使用隧道式加速度计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件及其制备方法，此种基于MEMS技术的压阻式加速度计能够测量随钻测井时钻头的三维动态加速度，能够适应井下恶劣的工作环境，体积小，具备更高的准确度。本发明的技术方案是:一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件，它包括六个表面上均设有加速度计的正方体硅基，所述正方体硅基具有绝热材料封装外壳，并通过导线连接外部电路。上述的加速度计包括nXn个相互并联在一起的测量单元。上述的加速度计测量范围在0.05g 50g (g为重力加速度)之间。一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)用MEMS仿真设计出nXn的测量单元的图形，并制成以玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；
(2)用光刻机将图形转移到旋涂有光刻胶的硅基上，实验所用为正胶，胶厚为0.5 1.5微米，将悬涂好光刻胶的硅基放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C。极紫外线光进行光刻，曝光时间为4s，然后，在浓度为0.6%的NaOH溶液中显影10s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120°C。将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm,气压为40mbar, forword power为50w,轰击2分钟,去除图形底部残胶,深度为10微米；
(3)在步骤(2)中图形的凹槽中，沉积磷的化合物进行掺杂，制成η型压敏电阻；
(4)按步骤(2)的方法，对背面进行光刻和图形转移，得到一道凹槽；
(5)对步骤(4)中的凹槽遮挡，置于1%的KOH溶液中45min，腐蚀得到硅质量块和悬臂梁结构；
(6)使用步骤(I)中制成的掩模板，将正面置于反应离子刻蚀机中，SF6流量30SCCm，气压50mbar, forward power为80w,轰击5 15分钟,得到完整的悬臂梁；
(7)使用丙酮超声清洗5 10分钟，洗去光刻胶以及沉积在上面的氟化物，如此得到的每个测量单元大小在500微米左右；
(8)将制作好的测量单元相互并联在一起，并固定在正方体硅基的表面上，对正方体硅基整体进行封装，使其具有绝热材料封装外壳，并通过导线连接到外部电路中。如此得到的加速度计，根据使用软件仿真模拟的结果，量程在0.05g 50g数量级之间。
本发明的工作原理:悬臂梁上的质量块，获得来自垂直方向的加速度时，会压迫悬臂梁弯曲，从而使悬臂梁两端的压敏电阻阻值变化，从而测得的通过电流发生变化，使用电路处理这种变化可以得到与加速度计相连的钻头，在该方向上的加速度。使用多个测量单元的目的是可以计算这些测量单元的平均结果，从而可以得到更准确的结果。本发明的优越性:(1)通过在正方体不同部位散步测量阵列，某些不利于测量的效应被抵消掉了 ；(2)某些测量单元即便损坏，也不影响加速度计正常的工作；(3)通过MEMS方法，提高了测量的精度。
图1为经过光刻、图形转移得到的硅基示意图。图2为经过掺杂的硅基示意图。图3为背面刻蚀后的娃基不意图。图4为KOH溶液腐蚀后硅基的示意图。图5为正面反应尚子刻蚀后的娃基不意图。图6为测量单元的俯视图。图7为最终得到的测量部件示意图。其中:1是硅基，2是压敏电阻，3是质量块，4是悬臂梁，5是测量单元，6是绝热材料封装外壳，7是导线，8是正方体硅基。
具体实施例方式实施实例:
一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件，其特征在于它包括六个表面上均设有加速度计的正方体硅基8，所述正方体硅基具有绝热材料封装外壳6，并通过导线7连接外部电路。上述的加速度计包括nXn个相互并联在一起的测量单元5。上述的加速度计测量范围在0.05g 50g (g为重力加速度)之间。一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)用MEMS仿真设计出nXn的测量单元的图形，并制成以玻璃为基板的镍Ni金属掩模板；
(2)用光刻机将图形转移到旋涂有光刻胶的硅基I上，实验所用为正胶，胶厚为0.5
1.5微米，将悬涂好光刻胶的硅基放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C。极紫外线光进行光刻，曝光时间为4s，然后，在浓度为0.6%的NaOH溶液中显影10s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120°C。将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm,气压为40mbar, forword power为50w,轰击2分钟,去除图形底部残胶,深度为10微米；
(3)如图2所示，在步骤(2)中图形的凹槽中，沉积磷的化合物进行掺杂，制成η型压敏电阻2 ; (4)如图3所示，按照步骤(2)的方法，对背面进行光刻和图形转移，得到一道凹槽；
(5)如图4所示，对步骤(4)中的凹槽遮挡，置于1%的KOH溶液中45min，腐蚀得到硅质量块3和悬臂梁结构；
(6)如图5所示，使用步骤(I)中制成的掩模板，将正面置于反应离子刻蚀机中，SF6流量30sccm,气压50mbar, forward power为80w,轰击5 15分钟,得到完整的悬臂梁4 ；
(7)如图6所示，使用丙酮超声清洗5 10分钟，洗去光刻胶以及沉积在上面的氟化物，如此得到的每个测量单元大小在500微米左右；
(8)如图7所示，将制作好的测量单元5相互并联在一起，并固定在正方体硅基8的表面上，对正方体硅基整体进行封装，使其具有绝热材料封装外壳6，并通过导线7连接到外部电路中。如此得到的加速度计，根据使用软件仿真模拟的结果，量程在0.05g 50g数量级之间。
权利要求
1.一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件，其特征在于它包括六个表面上均设有加速度计的正方体硅基，所述正方体硅基具有绝热材料封装外壳，并通过导线连接外部电路。
2.如权利要求1所述的一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件，其特征在于所述的加速度计包括nXn个相互并联在一起的测量单元。
3.如权利要求1所述的一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件，其特征在于所述的加速度计测量范围在0.05g 50g之间。
4.一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件的制备方法，其特征在于包括以下步骤: (1)用MEMS仿真设计出nXn的测量单元的图形，并制成以玻璃为基板的镍Ni金属掩模板； (2)用光刻机将图形转移到旋涂有光刻胶的硅基上，实验所用为正胶，胶厚为0.5 .1.5微米，将悬涂好光刻胶的硅基放置在真空干燥箱中前烘10分钟，温度为90°C;极紫外线光进行光刻，曝光时间为4s，然后，在浓度为0.6%的NaOH溶液中显影10s，将显影好的硅片进行后烘15分钟，温度为120°C ;将显影后干燥过的硅片，置于反应离子刻蚀机中，氧气流量为50sccm,气压为40mbar, forword power为50w,轰击2分钟,去除图形底部残胶,深度为10微米； (3)在步骤(2)中图形的凹槽中，沉积磷的化合物进行掺杂，制成η型压敏电阻； (4)按步骤(2)的方法，对背面进行光刻和图形转移，得到一道凹槽； (5)对步骤(4)中的凹槽遮挡，置于1%的KOH溶液中45min，腐蚀得到硅质量块和悬臂梁结构； (6)使用步骤(I)中制成的掩模板，将正面置于反应离子刻蚀机中，SF6流量30SCCm，气压50mbar, forward power为80w,轰击5 15分钟,得到完整的悬臂梁； (7)使用丙酮超声清洗5 10分钟，洗去光刻胶以及沉积在上面的氟化物，如此得到的每个测量单元大小在500微米左右； (8)将制作好的测量单元相互并联在一起，并固定在正方体硅基的表面上，对正方体硅基整体进行封装，使其具有绝热材料封装外壳，并通过导线连接到外部电路中。
全文摘要
本发明提供一种用于石油测井的三维MEMS加速度计的测量部件及其制备方法，它包括六个表面上均设有加速度计的正方体硅基，所述正方体硅基通过绝热材料封装，并通过导线连接外部电路。所述的加速度计包括n×n个相互并联在一起的测量单元。此种基于MEMS技术的压阻式加速度计能够测量随钻测井时钻头的三维动态加速度，能够适应井下恶劣的工作环境，体积小，具备更高的准确度。
文档编号B81C1/00GK103184862SQ20111045272
公开日2013年7月3日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者高玉翔, 牟诗城 申请人:国家纳米技术与工程研究院