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電子技術的發(fā)展歷程向人們展示了產(chǎn)品小型化的諸多優(yōu)點。微米級的制造加工要求實現(xiàn)機器設備的微型化。多數(shù)MEMS器件由硅基微電子裝置和微電機組成，硅基微電子裝置的功能相當于系統(tǒng)大腦，而微電機則相當于系統(tǒng)的眼睛和四肢。這些器件以多種方式對周圍環(huán)境進行探測和控制。傳感器能夠探測熱量、機械、化學及光學變化，而執(zhí)行器能夠運動至目標位置，對其周圍環(huán)境中的各種元件進行測量和調節(jié)。
油田壓力測量 受益于MEMS技術
一般情況下，微流體裝置能夠對體積極其微?。ㄎ⑸蚣{升）的流體進行控制以精確引導流體流動方向，并測量流體性質和執(zhí)行其它眾多任務。它們被置于硅、玻璃、金屬、塑料或合成橡膠內，其許多元件和泵、閥、混合器、過濾器及分離器等宏流體裝置的元件相同。
鑒于井眼的內部空間狹小，MEMS和微流體裝置似乎應該毫無疑問地能夠在各種勘探開發(fā)技術中得到應用。這些裝置占用空間小，流量小及能耗低，是井下作業(yè)的理想工具。如果制造出一種能夠裝載多個分別執(zhí)行不同功能的MEMS傳感器的設備儀器，那將是非常具有吸引力的裝置。
在大多數(shù)情況下，加工完成的MEMS和微流體裝置是以芯片的形式離開工廠的，非常容易破碎。因此，MEMS封裝對裝置的完好性及其性能有著極其重要的影響。對那些環(huán)境條件惡劣的油田來說這一點尤其重要。
斯倫貝謝的MEMS專業(yè)封裝技術用于達到以下幾個目的：首先，通過封裝，MEMS設備才能夠被機械連接到工作系統(tǒng)中；其次，通過封裝，MEMS設備才能夠與系統(tǒng)電子裝置進行電氣互聯(lián)；另外，封裝的作用還在于實現(xiàn)MEMS電氣互聯(lián)的絕緣，同時保護裝置不受腐蝕、侵蝕、沖擊及振動等影響。包裝通常能夠吸收巨大作業(yè)壓力所引起的應力，從而使MEMS和微流體芯片能夠在無應力的環(huán)境下工作，令芯片的內部和外部壓力達到平衡。
油田的壓力測量工作已經(jīng)開始受益于MEMS技術。斯倫貝謝與Caltech合作開發(fā)了一系列MEMS壓力傳感器。這些傳感器的精度與宏觀傳感器相當，線性響應高達25000psi（172.37MPa），在150℃（302℉）溫度下的穩(wěn)定度小于2psi（13.8kPa）/月。壓力傳感器是基于僅有幾微米厚的低應力氮化硅膜而設計的，它利用多晶硅壓敏電阻和惠斯通電橋原理來測量應變誘導的電阻變化情況（圖1）。利用反應方程來記錄裝置的輸出電壓，進而換算出絕對壓力值。
MEMS壓力傳感器封裝采用凝膠和環(huán)氧樹脂來保護中、短期使用壽命型的裝置。長期使用壽命型的MEMS壓力傳感器則需要更加堅固的封裝。利用填充了少量非腐蝕性可壓縮油的薄膜或真空膜盒可以對傳感器提供隔離保護，使其免受外界環(huán)境的影響。然而，這種封裝會影響裝置的靈敏度并可能對裝置的測量精度，重復性以及尺寸造成影響。盡管如此，實踐證明，采用真空膜盒仍是防止壓力傳感器受到腐蝕和侵蝕最有效的方法。 壓力測量（包括其它多種參數(shù)的測量）要受到溫度的影響。在開發(fā)裝置響應算法時，溫度是必須考慮的一個因素。但幾乎所有MEMS傳感器都能夠通過測量金屬或非金屬壓敏電阻器（如多晶硅）的電阻來測得溫度。材料的電阻會隨溫度的變化而變化，而變化幅度取決于材料的溫度系數(shù)。該系數(shù)為一已知的常數(shù)。 電潛泵（ESP）是應用MEMS壓力傳感器的一個例子。MEMS壓力傳感器是斯倫貝謝Axia ESP舉升系統(tǒng)的重要構成部分。該系統(tǒng)提供實時監(jiān)測、監(jiān)控及診斷分析。
微技術助益?zhèn)鞲衅?/strong>
除了壓力測量之外，傳感器小型化對于測量流體性質（即流體密度和粘度）可能有著極其重大的意義。DVMEMS是一款頗具潛力的設計，它利用由熔結的硅絕緣體（SOI）晶片頂層制成的薄振動片進行工作。
振動片的振動是通過將傳感器放入磁場，同時讓振蕩電流通過板上線圈來實現(xiàn)的。振動力的大小與垂直于磁場的導體長度、磁場強度和電流強度的乘積成正比（圖2）。
和其它振動元件技術一樣，DVMEMS傳感器利用應變儀——而在此處，利用惠斯通電橋配置的壓敏電阻器靠近振動片的固定端—來測量諧振頻率和質量因子。環(huán)繞振動片的流體會降低真空裝置所記錄的參考值的諧振頻率和質量因子。振動片與流體的相互作用使用戶得以確定流體的密度和粘度。由于作用于振動片的流體質量的增加，頻率會隨著流體密度的增加而下降。隨著流體粘度的增加和振動片振動幅度的不斷衰減，質量因子將下降。
科研人員首先根據(jù)已被業(yè)界認可了的某一溫度下的甲苯密度和粘度值對DV MEMS設備進行了調校，然后將其用于確定溫度范圍在323K～423K（122至302°F）時的辛烷密度和粘度。辛烷密度的測量結果與通過公認的密度計算公式計算出來的結果相比，誤差不到（±）0.5%。
同時，將使用DV MEMS設備確定的辛烷粘度與文獻中記載的粘度值也進行了比較。當溫度在423K以下時，粘度值與文獻值相差（±）5%。當溫度為423K時，DV MEMS辛烷粘度測量結果與文獻值相差不到（±）13%。然而，在考慮了DV MEMS粘度測量結果的最大不確定性以后，該結果與使用振動絲粘度儀（一種常見的用于測量粘度的實驗室設備）測得的粘度值是基本吻合的，即誤差不超過（±）6%。
DV MEMS傳感器研究的近期目標是開發(fā)出一個綜合模型，然后利用其對適合油氣田作業(yè)的流體密度和粘度范圍展開研究。然而該器件在使用中需要不斷地校準，而即使是這樣，也常常很難得出進行測試的流體的綜合性質。例如，在這一尺寸級別上，要想建立起移動固體與可壓縮流體之間相互作用的數(shù)學表達式是非常困難的。
另外一組用來研究流體性質的微技術采用微流體裝置。在微流體裝置制造中使用越來越多的軟光刻、塑料成型制造技術適用于普通的溫度和壓力環(huán)境，用來測試相對潔凈的水體。目前該技術已被斯倫貝謝水資源服務部門所采用，并應用于Diver儀器用來長期監(jiān)測地下水和地表水的水質參數(shù)。 例如，為了實現(xiàn)在水資源服務市場上的應用，斯倫貝謝對其模塊式地層動態(tài)測試器（MDT）的實時流體分析儀（LFA）所采用的pH值測量方法進了微型化和自動化處理。由此開發(fā)出來的聚合物芯片尺寸僅有1×3英寸，其構成組件包括一個入水口、一個染料容器、若干流體電阻器、一個被動式混合器、一個光識別區(qū)、一個泵及一個出口過濾裝置。所有這些組件均由微流體通道相互連接。由于不采用真空管進行互連，連接不易損壞，并且所有元件都安裝或使用激光焊接在芯片上（圖3）。
每次測量時，該系統(tǒng)采用光譜檢測法在50微升試樣（此劑量足夠對芯片內的通道完成五次清洗）和1微升的試劑中測量pH值。整個系統(tǒng)集成在Diver儀器上。它能夠以僅相當于兩節(jié)半AA電池的能量消耗完成600次測量，連續(xù)六個月獨立完成包括數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等各項任務。微流體裝置占用空間小是該裝置一個很重要的優(yōu)勢。
斯倫貝謝還開發(fā)了許多微流體裝置來執(zhí)行各類流體控制功能（如微流體通道內部的相分離及流量監(jiān)測）。雖然每一種裝置只執(zhí)行某一特定功能，但若將幾種裝置結合起來，他們就成了“芯片實驗室”－流體工廠的基本構成單元。
微技術使用前景廣闊
回顧技術發(fā)展的歷史，每一項新集成技術的應用都會帶來成本的大幅下降以及效率和性能的顯著提升。隨著油氣工業(yè)MEMS的不斷發(fā)展，傳感器、執(zhí)行器和計算單元有朝一日可能會被集成在一塊芯片上。目前還沒有哪一項技術能夠將所有這些功能都完美地融入到現(xiàn)場作業(yè)系統(tǒng)中。倘若能夠為油田開發(fā)出一種能夠對環(huán)境進行遠程監(jiān)控、解釋和控制的裝置，將會對整個勘探開發(fā)行業(yè)帶來巨大影響。
利用MEMS和NEMS器件可能開發(fā)出識別分子間力的實驗室方法。而利用這些方法原理，人們就能夠建立起微觀世界和宏觀世界之間的“橋梁”。今天，人們利用懸臂板（一種類似于斯倫貝謝DV MEMS器件的裝置，但尺寸要小約1000倍）來研究聚合物與金屬之間的粘合力。MEMS和NEMS器件在基礎科學領域的應用已經(jīng)開始起步。
例如，人們開發(fā)出了一種帶有集成電子位移換能器的納米級懸臂傳感器。該傳感器在環(huán)境壓力下接近分子的平均自由程。這使得該傳感器能夠進行質量分辨率在1阿克（10～18克）以下的吸附特性測量。
針對MEMS和微流體裝置在油田應用中出現(xiàn)的問題，斯倫貝謝及其合作大學的科學家們正在研究解決方案。目前，微技術正快速拓展到各個勘探開發(fā)領域的應用中。例如，人們正在研究將微技術投入到油藏監(jiān)測、隨鉆測井、隨鉆測量和電纜測井、智能完井以及地震數(shù)據(jù)采集等實際應用中。在油氣行業(yè)，MEMS和微流體裝置的應用領域正在不斷拓展，這一點是顯而易見的。
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