油氣田監(jiān)測高性能微傳感器及數字化系統

趙玉龍，牛 喆，周冠武，趙立波，蔣莊德

（1.西安交通大學機械工程學院，西安 710049；2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，西安 710049）

（1.School of Mechanical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；2.State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China）

1 前言

隨著石化工業(yè)的不斷發(fā)展，傳感器在高溫高壓環(huán)境下應用的要求也在不斷增加，為適應不同的高溫高壓環(huán)境，其種類需求也在不斷增大。目前，我國高性能傳感器主要依賴進口，嚴重制約了許多領域的發(fā)展。石油行業(yè)對傳感器需求巨大，數字化油氣田是國內石化工業(yè)的重要發(fā)展目標，傳感器是整個系統的基礎。研究低成本、高穩(wěn)定性油井監(jiān)測微傳感器及系統是油氣田數字化系統高效平穩(wěn)運行的需要，同時可帶動行業(yè)技術水平的提升，意義重大[1]。為了適應油氣田管理要求，確保其生產的高效運行和有效控制，克服傳統現場控制系統存在布線困難、移動不便、數據處理能力差、實時性差和遠程控制難度大等缺點，設計了一套油氣井生產監(jiān)測系統，以實現實時現場控制和遠程控制。

2 油氣田監(jiān)測高溫高壓壓力傳感器研究

2.1 高溫高壓傳感器芯片設計原理

壓阻式壓力傳感器是一種基于壓阻效應原理，將物理信號轉化成可測得的電信號的傳感方式。壓阻效應是指材料受到應力作用時，其電阻或電阻率發(fā)生明顯變化的現象。壓阻效應是在1856年由英國物理學家Thomson首先發(fā)現的，并在1923年由Bridgemen通過實驗進行了驗證。在高溫高壓傳感器芯片的設計中，主要利用了單晶硅的壓阻效 應[2，3]。

硅的壓阻效應是在1954年由Smith發(fā)現的[4]。當外界力作用于硅晶體時，晶體的晶格產生變形，使載流子從一個能谷向另一個能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率產生變化，這種物理效應稱為硅壓阻效應[5，6]。半導體硅、鍺材料中的壓阻效應比金屬材料中的壓阻效應要大得多。在半導體材料中，當應力作用在半導體晶體上時，電阻的變化主要由電阻率的變化引起。在正交坐標系中，當坐標軸與晶軸一致時，電阻的相對變化ΔR/R與應力之間的關系滿足

式（1）中，σl和σt為沿電阻縱向與橫向的應力；πl(wèi)和πt為沿縱向和橫向壓阻系數，πl(wèi)表示應力作用方向與通過壓阻元件的電流方向一致，πt表示應力作用方向與通過壓阻元件的電流方向垂直。

利用上述的硅壓阻效應，采用半導體工藝技術經過摻雜（擴散或離子注入），沿單晶硅片上的特定晶向，制成敏感電阻，構成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學特性，就制成了一個力敏與電信號轉換檢測于一體的摻雜硅傳感器。

薄膜變形理論是分析壓阻式壓力傳感器的理論基礎，根據傳感器的性能要求，壓力傳感器結構尺寸設計必須滿足線性度要求及抗過載能力要求的原則。引起傳感器輸出非線性的主要原因是晶體中應力較大時壓阻效應的線性關系受到破壞及應變膜形變較大時應力與壓力線性關系受到破壞。為了使傳感器具有良好的線性度，膜厚h的設計必須滿足中心最大撓度要小于膜厚，一般規(guī)定中心撓度要小于膜厚的1/5。同時，壓力傳感器的抗過載能力就是傳感器在承受150 MPa的載荷時能夠保持高的靈敏度及穩(wěn)定的工作性能[7]。

在四邊固支方形膜條件下：

方形膜的最大應力發(fā)生在各邊中心

最大撓度發(fā)生在平板中心

通過有限元分析對傳感器芯片在受力狀態(tài)下的表面應力進行分析[8]，精確計算出壓敏電阻的分布位置，并設計傳感器尺寸結構[9～11]。設定硅傳感器的彈性模量。圖1為傳感器硅基底的應力分布，圖2為方膜高溫高壓傳感器。

圖1 傳感器硅基底的應力分布Fig.1 Stress distribution on the sensor silicon-substrate

2.2 高溫高壓傳感器芯片加工工藝

油氣井壓力監(jiān)測環(huán)境的高溫高壓特點對壓力傳感器提出了較高的熱穩(wěn)定性要求[12]。在使用溫度大于120℃時，因PN結產生漏電流而使傳感器的性能惡化甚至失效，因而，傳統擴散硅壓力傳感器難以解決油氣井高溫環(huán)境下的壓力測量難題。針對油氣井壓力監(jiān)測環(huán)境的高溫高壓要求，在傳感器的加工工藝中采用了硅隔離（SOI）芯片制造技術[4，13，14]。

圖2 方膜高溫高壓傳感器Fig.2 The square diaphragm high-temperature and high-pressure sensor

通過靜電鍵合封裝技術將SOI硅微固態(tài)壓阻芯片與PYREX7740玻璃片在真空環(huán)境下封裝結合為一體作為全硅結構的壓力傳感器的彈性敏感單元[15，16]，解決高溫環(huán)境下測量大量程壓力的難題。同時，采用高溫充硅油技術，用波紋片和高溫硅油將被測量介質隔離開來，因此該類傳感器具有動態(tài)特性好、耐高溫（≥200℃）、精度高、量程大（60～150MPa）及微型化等特點，并且具有工作安全可靠、適應性強的特點。高量程高溫壓力傳感器的全硅結構電路轉換元件采用微機電系統（MEMS）技術和SOI技術中的注氧隔離（SIMOX）技術制作的浮雕式硅微固態(tài)壓阻芯片[17，18]，由SIMOX技術制作的SiO2層將芯片內的測量電路層與硅基底隔離開來，實現了在大于200℃的應用環(huán)境下穩(wěn)定測量技術。另外，高量程高溫壓力傳感器的彈性元件及敏感元件采用全硅結構正方形平膜結構，通過對正方形硅膜結構參數（厚度和邊長）設計，可設計出芯片尺寸結構≤3 mm、量程為60～150 MPa的高量程壓力傳感器。由于半導體硅良好的機械特性，同時作為傳感器轉換電路的壓阻惠斯通測量電橋集成制造在全硅結構正方形平膜結構上，這樣傳感器的彈性和敏感元件與轉化電路之間集成為一體，大大降低了傳感器在測量過程中的遲滯、重復性誤差，從而提高傳感器的測量精度。芯片的測量精度達到0.2%FS及以上。具體高溫高壓傳感器芯片的加工工藝流程如圖3所示。

圖3 高溫高壓傳感器芯片加工工藝流程Fig.3 Fabrication process of the high-temperature and high-pressure sensor chip

2.3 油氣田高溫高壓壓力傳感器封裝技術研究

可靠的鍵合引線技術研究和隔離封裝技術研究是解決油氣田應用傳感器高溫環(huán)境下穩(wěn)定性和耐腐蝕性的關鍵技術問題。

油氣田壓力傳感器引線鍵合與傳統的集成半導體芯片（IC）引線鍵合工藝不同的是：MEMS高溫壓力傳感器的封裝在第一焊點（球焊）完成后不進行第二焊點（楔焊）的連接，或者只進行第二焊點的連接而不需要第一焊點，并且第一焊點所在的腔體深度較大，不易形成線弧，因此使用傳統的引線鍵合設備不能完成MEMS高溫壓力傳感器的封裝，須研究具有深腔焊功能的引線鍵合設備并能單獨完成第一焊點或第二焊點的焊接，即在第一焊點完成后自動剪斷金線或直接進行第二焊點的焊接?？傮w技術路線：工藝分析—總體結構—模塊設計—系統集成—實驗應用。

建立和研究油氣田微傳感器專用鍵合工藝原則。研究和設置焊球的初始直徑一般為金絲直徑的2～3倍，還要保證最終成球尺寸是金絲線直徑的2.5～5倍，且不能超過焊盤尺寸的3/4。線弧長度不應超過金絲直徑的100倍，而且不允許有垂直方向的下垂或水平方向的搖擺，以保證引線鍵合的質量和提高傳感器應用的可靠性。

研究傳感器芯片封裝結構，以提高油氣田傳感器在油氣田應用的耐腐蝕性和穩(wěn)定性，提高壓力傳感器的長期穩(wěn)定性和工程化應用水平，在進行壓力敏感元件的封裝時，宜采用充硅油結構和技術，避免被測介質與敏感元件的直接接觸，提高傳感器穩(wěn)定性的同時提升其適應能力。由此，可以從結構上提高壓力傳感器的測量精度、可靠性和溫度穩(wěn)定性。涉及基于SOI技術的高溫環(huán)境下高量程、高精度的壓力傳感器，解決了高溫條件和高壓場合下的壓力測量難題，由于采用了充高溫硅油技術，使得測量SOI硅壓力敏感元件與被測量介質隔離開來，因而提高了傳感器的適應能力。充硅油壓力傳感器的結構見圖4。圖5為鍵合與高溫充硅油封裝實物圖。

圖4 充硅油壓力傳感器結構Fig.4 Structure of the pressure sensor filled with silicone oil

圖5 鍵合與高溫充硅油封裝實物圖Fig.5 The practical packaging of bonding and silicone oil filling

3 高性能壓力傳感器測試與補償技術研究

3.1 傳感器溫度補償原理

由于壓阻式壓力傳感器受溫度影響較大，基線溫度漂移和線型溫度漂移都可達到0.02%FS/℃。假設外界溫度的范圍是-40～60℃，溫差為100℃，那么基線溫度漂移和線型溫度漂移都將達到2%FS。因此變送器工作溫度變化范圍越大，如果不做校準其精度將比較差。

本文采用多溫度點、多壓力點標定，再在相鄰兩個溫度點之間進行擬合，從而使得變送器在全溫度范圍達到最高精度。該標定系統利用最小二乘法求出校準數據的理論直線。假設該直線方程為

式（4）中，y為傳感器的理論輸出；x為傳感器的實際輸入；P1為直線方程的斜率，表示所給定的傳感器的靈敏度；P2為直線方程的截距，表示所給定的傳感器的初始偏差（零位）。

假設有m個校準測試點，傳感器實際輸出為y，則第i個校準數據與理論值線上相應值之間的最小偏差為

式（6）、式（7）中，

m為校準點數。

通過最小二乘法將同一溫度時刻的傳感器輸出進行了線性補償之后，將相鄰兩個溫度點之間的傳感器輸出再次進行擬合，可獲得高線性度、高精度的全溫度范圍輸出結果。

3.2 油氣田壓力傳感器智能數字變送系統硬件電路的設計與實現

一般工業(yè)現場環(huán)境對壓力傳感器監(jiān)測系統的要求較高，如荒漠、雨林、山區(qū)等，其高溫、高濕、長距離無人值守等因素為工業(yè)檢測提出了較強的針對性要求。

油氣田監(jiān)測高性能微傳感器的性能應滿足油氣田監(jiān)測系統通訊協議和高精度的目標要求。針對油氣田壓力傳感器智能數字變送器及標定系統整體技術要求，重點研究電源和信號全隔離技術、4～20 mA監(jiān)測信號和液晶顯示及RS-485總線同步工作技術、小信號無失真高精度的放大電路及低通濾波技術、動態(tài)實現傳感器的溫度漂移、基線漂移、線性漂移的抑制技術以及在惡劣環(huán)境下實現防雷擊、浪涌抑制等電路保護技術等，以提高傳感器在油氣田應用的可靠性。同時研究油氣田壓力傳感器智能數字變送器標定測試系統以提高其測量精度。標定系統可以方便地標定壓力傳感器智能數字變送器，并通過溫度和線性化的數字補償技術有效地提升壓力傳感器的系統精度，使得油氣田高性能傳感器精度提高到0.1%FS及以上，遠高于目標任務的0.2%FS的技術指標。

油氣田壓力傳感器智能數字變送系統機構框圖見圖6。壓力傳感器智能數字變送器內部采用一套數據采集電路、一套數據存儲電路、一套數據傳輸電路、一套電源管理電路、一套兩線制4～20 mA回路信號電路和一套防雷擊電路保護及信號全隔離電路，安裝在專用的金屬結構內。圖7為智能數字變送系統實物圖。

圖6 壓力傳感器智能數字變送器系統框圖Fig.6 The system schematic of the pressure sensor intelligent digital transmitter

圖7 智能數字變送系統實物圖Fig.7 The practical pressure sensor intelligent digital transmitter system

4 無線傳感網絡研究

4.1 無線網絡方案

目前使用較廣泛的短距無線通信技術是藍牙（Bluetooth）無線局域網802.11（Wi-Fi）和紅外數據傳輸（IrDA）3種，同時還有一些具有發(fā)展?jié)摿Φ慕嚯x無線技術標準。它們分別是ZigBee、超寬頻（Ultra WideBand）等[19]。對于油氣井生產監(jiān)測，選擇ZigBee技術出于如下考慮[20]。

成本：ZigBee芯片1美元左右。Wi-Fi和藍牙芯是3美元左右，使用Zigbee整個系統的花費將大幅降低。傳輸速率：ZigBee傳輸速度是250 kbps，Wi-Fi和藍牙分別是54 Mbps和1～2 Mbps。在監(jiān)測系統中，主要發(fā)送傳感器數據與控制信號，低速率已滿足需求。網絡容量：ZigBee網絡中心可運行65 000個節(jié)點，Wi-Fi和藍牙分別是32個和7個節(jié)點。ZigBee滿足工業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大。能量消耗：Zigbee的電流是3 mA，而Wi-Fi和藍牙分別是350 mA和65～170 mA。

ZigBee是一個由可多達65 000個無線數傳模塊組成的網絡平臺，十分類似現有移動通信的碼分多址（CDMA）網或全球移動通訊系統（GSM）網。其中每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米（可以通過CC2591射頻前端芯片以擴展傳輸距離）。另外，整個ZigBee網絡還可以與現有的其他各種網絡鏈接。每個Zig-Bee網絡節(jié)點可支持多達31個的傳感器和受控設備，并且每一個傳感器和受控設備還可以有8種不同的接口方式。另外，ZigBee可以采集和傳輸數字量和模擬量[21]。

4.2 系統設計

由于油氣田生產井比較分散且只需要實現采集點與總控制端的通信即可，即一般采集點之間不需要通信所以選擇簇樹狀或網狀網拓撲結構比較合適，既能有效地增大網絡的覆蓋范圍又能節(jié)省網絡維護的費用。本系統根據ZigBee PRO的網狀網絡拓撲結構特性進行設計，因為其具有自動建立和維護網絡的功能，無需人工干預。這樣油氣井所采集到的數據就可以從終端設備經過路由器而轉發(fā)到主站上，或者從終端設備直接發(fā)至主站上，從而實現對油氣井生產的遠程監(jiān)護。系統架構如圖8所示，系統數據傳輸示意圖如圖9所示。

圖8 Zigbee系統總體架構Fig.8 The architecture of the Zigbee system

圖9 系統數據傳輸示意圖Fig.9 The schematic diagram of the systemdata transmission

油氣井監(jiān)測系統采用分散數據采集，集中處理結構，由多個數據采集點和數據處理點組成。安裝應用網絡化系統，建立服務器和安裝客戶端應用程序。

5 實驗及分析

5.1 高溫高壓傳感器芯片測試實驗

本實驗通過精度為0.02%的活塞式壓力計，在室溫為25℃的條件下，對高溫高壓傳感器芯片進行壓力測試實驗。為測定該芯片的耐高壓性能，測試壓力范圍為0～150 MPa。實驗施加電源為5 V的直流穩(wěn)壓源。實驗測試結果如圖10所示。

圖10 傳感器芯片輸出測試結果Fig.10 Output of the sensor chip

5.2 油氣田壓力傳感器智能數字變送系統溫度補償與標定實驗

為了保證該智能變送系統的可靠性與精度，通過實際實驗來測試當前系統的各項輸出并計算其性能指標。實驗通過利用活塞式壓力計（精度為0.02%，量程為1～100 MPa）向壓力式傳感器輸入壓力，壓力范圍為0～32 MPa。將高性能數字壓力變送器放置在恒溫箱內進行溫度標定，設置溫度點為-25℃、-10℃、20℃、45℃。通過長時間恒溫測量后，將所采集到的數據通過上位機標定系統進行處理，再發(fā)送至高性能數字壓力變送器進行標定。圖11和圖12是所采集到的標定后的高性能數字壓力變送器的實際輸出結果，其中，圖11為二維數據對比圖，圖12為三維數據平面分析圖。

圖11 二維數據對比圖Fig.11 The comparison of the two-dimensional data

圖12 三維數據平面分析圖Fig.12 The analysis of the three-dimensional of plane data

通過計算可得出在全溫度、全量程范圍內該智能數字壓力變送器的誤差和線性度，結果如表1所示。

表1 全溫度范圍測試技術指標Table 1 The qualification of the full temperature range experiment

6 結語

本文設計了一種適用于油氣田特殊環(huán)境的高溫高壓傳感器芯片及其高性能數字智能變送系統。通過實驗數據表明，本系統的測量精度達到設計要求的0.2%FS及以上，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，對油氣田生產安全起到重要的保障。油氣田監(jiān)測微傳感器及系統研究是一項綜合性的系統研發(fā)，涉及的創(chuàng)新點包括高溫高壓微傳感器的設計制造、批量化生產的穩(wěn)定性，油氣井狀態(tài)參數標準庫的建立，壓裂工藝目標參數的驗證技術等內容。其創(chuàng)新點主要體現在：a.高溫、高壓微傳感器的設計技術；b.高溫、高壓微傳感器的制造工藝技術；c.低功耗特性微傳感器的設計技術；d.基于微結構工藝相關特性參數提取的MEMS器件芯片設計技術；e.監(jiān)測系統抗干擾技術；f.多聯作壓裂高溫高壓監(jiān)測技術。實驗表明，該系統達到國內外先進技術指標要求。該智能數字壓力變送器的后續(xù)補充及功能擴展工作正在不斷進行當中。

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