[发明专利]流体压力传感器以及测量探针

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体压力传感器。

更具体地说，根据本发明的压力传感器将在极端压力条件下使用，例如在井中遇到的压力条件，例如在油和天然气的勘探、生产和输送的过程中。通常，对于这些用途，压力可以从几百巴直到超过2000巴。

背景技术

对于像这些一样极端的操作条件，当前用于压力测量的技术非常有限，并基于使用由高强度钢合金例如因科镍合金或石英来制造的宏观机械部件，与复杂的制造技术相关联。因此，市场上可获得的高压探针较大(通常几十厘米长)、昂贵和只提供有限的特征。

井下仪器要求的重要特征是由于在钻井、生产或激发操作过程中要被评估的大部分现象可能与在非常高的标称压力值(如前所述)周围的很小变化相关。

近来在硅和微电子行业中的突破已经导致微型化压力传感器的发展。该技术的主要优点是灵敏元件由硅晶片批量地制造，以便低成本地产生大量“芯片”。

不过，使用这种灵敏元件的传感器的性能和可靠性都有限，特别是在上述极端压力条件下。

实际上，硅是在它受到拉伸/拉紧力时非常脆弱的材料。大约1％的相对拉伸/拉紧将使得晶体破裂，因此破坏该传感器。即使对于比该限制值小的拉伸应力水平，在晶体移位中也存在位错，从而导致疲劳问题，并损坏该灵敏元件。

当硅受到压缩力时情况不同，其中，在这种情况下，材料能够在没有疲劳问题的情况下承受非常高的应力。实际上，在没有破裂危险的情况下能够接受直到大约5％的收缩。

因此，当研制传感器时，关键是优化在结构中的应力分布。该分布将确定传感器的计量性能、灵敏度、稳定性和坚固性。

根据本领域现有技术的硅压力传感器的灵敏元件在图1A和1B中表示，并包括刚性框架1，该刚性框架1在它的中心有通过微机械加工硅而产生的、减小厚度的区域，以便产生包括上部壁3和下部壁4的灵敏隔膜2。

也称为压敏电阻或量规的应力灵敏电阻器5(它包括纵向定位的两个电阻器5a和横向定位的两个电阻器5b)布置在隔膜2上，并通过连接装置6而连接在一起，以便形成Wheatstone电桥测量电路。

参考图2，图中表示了传感器的灵敏元件，该传感器有附接在其下侧的板8，从而形成在真空下的空腔9和产生绝对压力传感器。

现有技术中已知的灵敏元件的操作如下：施加在隔膜2的上部壁3上的压力作用将产生力，该力引起所述隔膜中的偏转以及在隔膜平面中的机械应力的外观偏转，它们由压敏电阻来测量。

图3表示了对于给定压力沿隔膜的轴线AM由应力CT采取的形状。

最大应力的区域出现在连接区域(在拉紧MT中在隔膜的上部壁上，在压缩MC中在它的下部壁上)以及在隔膜的中心处(在压缩MC中在上部壁上，在拉紧MT中在下部壁上)。

图4是根据现有技术的应力检测电路的示意图。

电阻器通过电触点7a和7b而由外部供给电压和电流。

灵敏元件的输出由在触点7c和7d之间的电压差Vs来确定，该电压差Vs由参考图5获得的以下关系来表示：

Vs＝1/2.V.(ΔRl/Rl-ΔRt/Rt)，

ΔRl/Rl＝Gl xΔl/l，

ΔRt/Rt＝Gt xΔl/l，其中：

V是电桥电源的电压；

Rl是纵向压敏电阻5a(两个纵向量规假定相同)的值，该纵向压敏电阻5a由于在隔膜上的压力作用而受到拉伸Δl/l，该拉伸定向成沿着电阻器中的电流流动轴线，而ΔRl是该电阻的值在该应力的作用下相对于在静止的隔膜位置(即没有压力)的变化。

Rt是横向压敏电阻5b(两个横向量规假定相同)的值，该横向压敏电阻5b由于在隔膜上的压力作用而受到拉伸Δl/l，该拉伸定向成垂直于电阻器中的电流流动轴线，而ΔRt是该电阻的值在该应力的作用下相对于在静止的隔膜位置(没有压力)的变化。

Gl和Gt是压敏电阻的纵向和横向量规系数。对于单晶硅，这些系数取决于方位、类型、掺杂浓度(例如硼掺杂浓度CB，单位为原子数每cm3)以及温度T(单位为摄氏度)，如图6和7中所示。

箭头标记i表示电流方向。

这种灵敏元件有以下缺点，该缺点降低了传感器的性能：

最大应力的区域集中在很小区域上，且必须相对于隔膜的连接区域的位置完美地对齐，从而使得很难定位压敏电阻以及导致信号损失；

传感器的最大允许压力受到这种因素的限制，即硅在连接区域处受到较高水平的拉紧应力。因此，灵敏度必须限制为保持低于破裂和稳定性应力水平。

发明内容