MEMS技術(shù)在定向鉆進(jìn)的應(yīng)用

據(jù)麥姆斯咨詢報道，隨著石油和天然氣行業(yè)剛剛從長期的低迷期恢復(fù)，運(yùn)營商們對提高井下井智能性、提高技術(shù)可靠性、加快鉆井速度并降低將井下作業(yè)聯(lián)網(wǎng)成本等有強(qiáng)烈的需求。這些因素共同開創(chuàng)了基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的定向鉆進(jìn)傳感器技術(shù)的新時代。

在油氣鉆探歷史上，涉及鉆井傳感器技術(shù)的基本原理和方式只發(fā)生過兩次改變。鉆孔傳感器的發(fā)明最早出現(xiàn)于20世紀(jì)20年代。在此之前，該行業(yè)基本是盲目鉆探的。所開發(fā)的鉆孔儀器只是使用了簡單的技術(shù)，如在瓶中裝酸將玻璃腐蝕出彎月面，或采用其他簡單的機(jī)械手段測量井的偏差。

在20世紀(jì)70年代，隨著磁導(dǎo)向工具的發(fā)明，一場重大的革命席卷了整個行業(yè)，其原理是當(dāng)今大多數(shù)現(xiàn)代定向鉆具仍然遵守的。然而，我們現(xiàn)在正在見證新時代的曙光——基于MEMS技術(shù)的定向鉆進(jìn)傳感器正在被接受作為鉆探的可靠替代品。

為什么是MEMS？

有了MEMS技術(shù)，人類按照最生動的想象力創(chuàng)造微型機(jī)械器件。設(shè)想齒輪、變速器、離合器、執(zhí)行器，甚至微型渦輪發(fā)動機(jī)可以跟指甲一般大小。但是，人類如何從微觀上實現(xiàn)呢？即使是現(xiàn)代精密計算機(jī)控制的機(jī)臺也不能滿足MEMS器件所需的微觀尺度。

秘訣在于半導(dǎo)體制造技術(shù)的革新。與制造當(dāng)今強(qiáng)大計算機(jī)所需的微型晶體管的設(shè)備一樣，半導(dǎo)體制造商可以一層一層地創(chuàng)建微觀機(jī)械部件。材料的沉積、分層、通過光刻工藝和蝕刻工藝將多余的材料去除實現(xiàn)圖案化，這是制造MEMS器件的關(guān)鍵技術(shù)。

基于半導(dǎo)體技術(shù)的MEMS制造不僅將器件微型化做到極致，而且使其價格低廉且堅固耐用。半導(dǎo)體工廠在制造芯片或MEMS之路上不斷摸索，艱難前行。這些具有規(guī)模經(jīng)濟(jì)的電子器件使用相同工藝、設(shè)備和低成本材料，使得MEMS成為量產(chǎn)傳感器極具吸引力的技術(shù)。

MEMS器件的微型化賦予了它們固有的可靠性。在半導(dǎo)體技術(shù)的基礎(chǔ)上，這些器件結(jié)合了抗疲勞元器件，使MEMS結(jié)構(gòu)通過數(shù)十億甚至數(shù)萬億個循環(huán)仍不會失效。MEMS器件的微觀尺寸意味著更小的運(yùn)動質(zhì)量，這意味著在沖擊和振動下的可靠性表現(xiàn)極其優(yōu)秀。

MEMS的經(jīng)濟(jì)規(guī)模

1993年，亞德諾半導(dǎo)體（ADI）發(fā)布了第一款MEMS加速度計，該傳感器的批量制造首先起源于安全氣囊應(yīng)用對其的需求。從那時起，MEMS以驚人的速度發(fā)展。事實上，現(xiàn)在每個手機(jī)都有MEMS加速度計、磁力計和陀螺儀，許多手機(jī)還包括MEMS壓力傳感器（氣壓計）和麥克風(fēng)。全球出貨量以兆顆為單位計算的傳感器只賣幾美元甚至不到一美元。隨著市場規(guī)模的不斷擴(kuò)大，MEMS技術(shù)的新應(yīng)用將繼續(xù)被發(fā)現(xiàn)。根據(jù)2017年Yole發(fā)布的《MEMS產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》，MEMS和傳感器市場規(guī)模將從2016年的380億美元增長至2021年的660億美元，復(fù)合年增長率為12%。從出貨量來看，傳感器和執(zhí)行器（包括聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）濾波器、振蕩器、噴墨頭、微鏡、微流控器件等）將從2016年的650億顆增長至2021年的1380億顆。

審核編輯：符乾江