[发明专利]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

说明书

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：

（1）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n×n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n×n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；