eng
Выпуск #3/2016
Д.Балман, Ю.Пономарев
МЭМС-акселерометры компании Colibrys – прорыв в область высоких температур
МЭМС-акселерометры компании Colibrys – прорыв в область высоких температур
Просмотры: 2807
Рассмотрены МЭМС-акселерометры компании Colibrys, предназначенные для измерений во время бурения. Отмечено, что они способны работать при температурах до 175°C, а также выдерживать высокий уровень ударов и вибраций, возникающих в процессе бурения.
Компания Colibrys на протяжении последних десяти лет занимает лидирующие позиции в области разработки и производства инерциальных МЭМС-датчиков, в основном для авиационной отрасли и промышленного сектора. Пока большинство компаний – производителей МЭМС-датчиков – были сосредоточены на создании дешевых решений низкой точности для автомобильной промышленности, смартфонов и других потребительских устройств, компания Colibrys сделала ставку на разработку высокоточных и высоконадежных МЭМС-датчиков средней стоимости для жестких условий эксплуатации.[1]
Недавно компания стала первопроходцем в области высокотемпературных МЭМС-решений. Это открывает новые горизонты для МЭМС-датчиков (рис.1) и позволяет предложить запатентованный высокотемпературный МЭМС-акселерометр российским компаниям энергетического сектора, занятым разработкой и изготовлением инструментов для измерения в процессе бурения (Measurement While Drilling, MWD), каротажа, каротажа во время бурения (Logging While Drilling, LWD) (рис.2) и геофизическими исследованиями.
Рассмотрим МЭМС-акселерометр TS1000T, предназначенный для измерений во время бурения. Это высокоточный датчик угла наклона, способный работать при температурах до 175°C и выдерживать высокий уровень ударов и вибраций, возникающих в процессе бурения.
МЭМС-акселерометры компании Colibrys состоят из чувствительного элемента и миниатюрной интегральной схемы, установленных в герметичном керамическом корпусе. Они измеряют ускорения посредством преобразования малейших изменений емкостей в датчике угла, возникающих вследствие отклонения подвижной массы от нейтрального положения, в высокоточный аналоговый выходной сигнал (рис.3).
Каковы ключевые особенности этих акселерометров, применение которых позволяет получать точные результаты при высокой температуре?
1. Использование емкостной технологии и чувствительного элемента, целиком состоящего из монокристаллического кремния, обеспечивает отличную долговременную стабильность во всем диапазоне температур. Чувствительный элемент имеет структуру типа "сэндвич"; подвижная масса на упругой перемычке, расположенная между ответными частями, образует дифференциальный емкостный датчик угла. Такая конструкция отличается лучшим соотношением сигнал-шум по сравнению с другими вариантами конструкции МЭМС-акселерометров. Кроме того, при изготовлении чувствительного элемента используется запатентованная технология соединения слоев кремния, которая обеспечивает высокий уровень герметичности (рис.4).
Выбор такой технологии для создания чувствительного элемента, рассчитанного на работу при высоких температурах, обусловлен двумя факторами:
• обеспечением исключительной стабильности паразитных емкостей, что достигается за счет релаксации напряжений при высокой температуре и отсутствия каких-либо материалов в местах спая слоев, кроме кремния и его оксида, и низкого уровня влажности благодаря патентованной технологии соединения пластин;
• использованием жидкостного анизотропного травления при создании чувствительного элемента – надежной и отлаженной технологии, которая придает конструкции высокую стойкость к ударам и малую перекрестную чувствительность.
Чувствительный элемент "настраивается" под конкретные нужды с целью улучшения, например, таких параметров, как нелинейность четного порядка, полоса пропускания или броуновский шум, путем изменения коэффициента газового демпфирования. Для измерений во время бурения критична нелинейность четного порядка, которая должна быть минимальна, так как является причиной смещения нуля (описываемого коэффициентом вибрационной ошибки) в условиях высокого уровня вибраций. Для уменьшения этой нелинейности необходимо, чтобы реальное поведение механической системы было максимально приближено к математической модели грузика на пружинке с демпфером. Однако из-за малых зазоров между подвижным маятником и неподвижными ответными частями сила демпфирования нелинейно зависит от скорости. Для уменьшения этого эффекта принимаются дополнительные меры по отводу газа из зазоров.
2. Новая патентованная высокотемпературная технология приклеивания чувствительного элемента к керамической подложке позволяет максимально уменьшить механические напряжения в нем при деформациях керамического основания.
3. Герметичный керамический корпус LLC20 обеспечивает надежную защиту компонентов прибора от внешних воздействий и уменьшение зависимости характеристик от температуры.
4. Специализированная интегральная схема обеспечивает высокую точность прибора на всем диапазоне температур, вплоть до 175°C. Электроника включает три функциональных блока обработки сигнала: дифференциальную схему преобразования заряда датчика угла в напряжение, программируемый усилитель и низкочастотный фильтр, устраняющий высокочастотные помехи в выходном сигнале. Использование дифференциального выхода позволяет устранить синфазные помехи выходного сигнала и увеличить его крутизну вдвое. Кроме того, новая электроника предусматривает функции индикации при ускорениях выше диапазона измерений, восстановления после ударов и самотестирования как механического, так и электрического модуля посредством приложения электростатической силы к маятнику.
Несмотря на все нововведения в акселерометрах серии TS1000T, при их производстве применяется большая доля технологий, используемых в компании для производства серийных линеек акселерометров, что позволяет снизить стоимость конечной продукции.
Рассмотрим некоторые ключевые характеристики, которые удалось улучшить в новых МЭМС-акселерометрах серии TS1000T.
В линейку входят акселерометры с тремя диапазонами измерений: ±2g, ±5g, ±10g. Ниже речь пойдет об акселерометре с диапазоном ±2g (см. таблицу). Величина температурного коэффициента изменения нулевого сигнала в таком акселерометре составляет менее 100 мкg/°C, а остаточная величина нулевого сигнала после простейшей алгоритмической компенсации полиномом третьей степени не выходит за пределы ±600 мкg (или 300 ppm от диапазона измерения) в диапазоне температур от –40 до 150°C (рис.5).
Температурный коэффициент изменения масштабного коэффициента для того же акселерометра составляет менее 120 ppm/°C, а после алгоритмической компенсации полиномом третьей степени масштабный коэффициент меняется не более чем на 300 ppm в диапазоне температур от –40 до 150°C (рис.6).
Типовое значение нелинейности составляет ±0,3%, а после компенсации – 0,02%, если рассматривать наиболее используемый диапазон ±1g (рис.7).
Необходимо также отметить, что акселерометры серии TS1000T проходят испытания на удары величиной 1 500g и продолжительностью 0,2 мс (500 ударов), при этом их характеристики не ухудшаются.
Таким образом, Colibrys предлагает компаниям, занимающимся разработкой оборудования для измерений во время бурения, каротажа и каротажа во время бурения, новые высокотемпературные МЭМС-акселерометры, которые могут быть использованы как альтернатива кварцевым или в качестве резервной триады акселерометров. Cерия TS1000T знаменует собой прорыв в области высокотемпературных акселерометров, предназначенных для применения в условиях бурения. Они обладают высокой надежностью и прочностью, повышенной стойкостью к ударам и вибрации, долговременной стабильностью нулевого сигнала во всем диапазоне рабочих температур вплоть до 175°C, а также малыми нелинейностью и уровнем шума.
Ввиду большей стойкости МЭМС-акселерометров серии TS1000T к ударам и вибрации по сравнению с кварцевыми акселерометрами, а соответственно и более высокой надежности, их использование во время бурения в качестве основной или резервной системы существенно повышает надежность системы ориентации в целом. Это, в свою очередь, позволяет снизить риски появления задержек при бурении в случае выхода из строя кварцевых акселерометров и уменьшить дополнительные затраты.
Акселерометры TS1000T соответствуют высоким требованиям, предъявляемым к оборудованию для нефтегазовой отрасли, в том числе по работе при температуре до 175°C, что необходимо для бурения на глубинах до 6 км. Это касается как высокоточного оборудования для измерений во время бурения (точность измерения угла у акселерометра с диапазоном ±2g составляет ±0,1°), так и менее требовательного оборудования для каротажа и геофизических исследований.
Выпуск нового высокотемпературного акселерометра TS1000T демонстрирует приверженность компании Colibrys к постоянному развитию линейки высокоточных датчиков, которые предназначены для применения там, где требуется обеспечить высокую надежность в жестких условиях эксплуатации.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 Компания Colibrys, директор по развитию линейки продукции, david.balmain@colibrys.com.
2 Компания "Радиант-Элком", руководитель отдела датчиков, ponomarev@ranet.ru.
Недавно компания стала первопроходцем в области высокотемпературных МЭМС-решений. Это открывает новые горизонты для МЭМС-датчиков (рис.1) и позволяет предложить запатентованный высокотемпературный МЭМС-акселерометр российским компаниям энергетического сектора, занятым разработкой и изготовлением инструментов для измерения в процессе бурения (Measurement While Drilling, MWD), каротажа, каротажа во время бурения (Logging While Drilling, LWD) (рис.2) и геофизическими исследованиями.
Рассмотрим МЭМС-акселерометр TS1000T, предназначенный для измерений во время бурения. Это высокоточный датчик угла наклона, способный работать при температурах до 175°C и выдерживать высокий уровень ударов и вибраций, возникающих в процессе бурения.
МЭМС-акселерометры компании Colibrys состоят из чувствительного элемента и миниатюрной интегральной схемы, установленных в герметичном керамическом корпусе. Они измеряют ускорения посредством преобразования малейших изменений емкостей в датчике угла, возникающих вследствие отклонения подвижной массы от нейтрального положения, в высокоточный аналоговый выходной сигнал (рис.3).
Каковы ключевые особенности этих акселерометров, применение которых позволяет получать точные результаты при высокой температуре?
1. Использование емкостной технологии и чувствительного элемента, целиком состоящего из монокристаллического кремния, обеспечивает отличную долговременную стабильность во всем диапазоне температур. Чувствительный элемент имеет структуру типа "сэндвич"; подвижная масса на упругой перемычке, расположенная между ответными частями, образует дифференциальный емкостный датчик угла. Такая конструкция отличается лучшим соотношением сигнал-шум по сравнению с другими вариантами конструкции МЭМС-акселерометров. Кроме того, при изготовлении чувствительного элемента используется запатентованная технология соединения слоев кремния, которая обеспечивает высокий уровень герметичности (рис.4).
Выбор такой технологии для создания чувствительного элемента, рассчитанного на работу при высоких температурах, обусловлен двумя факторами:
• обеспечением исключительной стабильности паразитных емкостей, что достигается за счет релаксации напряжений при высокой температуре и отсутствия каких-либо материалов в местах спая слоев, кроме кремния и его оксида, и низкого уровня влажности благодаря патентованной технологии соединения пластин;
• использованием жидкостного анизотропного травления при создании чувствительного элемента – надежной и отлаженной технологии, которая придает конструкции высокую стойкость к ударам и малую перекрестную чувствительность.
Чувствительный элемент "настраивается" под конкретные нужды с целью улучшения, например, таких параметров, как нелинейность четного порядка, полоса пропускания или броуновский шум, путем изменения коэффициента газового демпфирования. Для измерений во время бурения критична нелинейность четного порядка, которая должна быть минимальна, так как является причиной смещения нуля (описываемого коэффициентом вибрационной ошибки) в условиях высокого уровня вибраций. Для уменьшения этой нелинейности необходимо, чтобы реальное поведение механической системы было максимально приближено к математической модели грузика на пружинке с демпфером. Однако из-за малых зазоров между подвижным маятником и неподвижными ответными частями сила демпфирования нелинейно зависит от скорости. Для уменьшения этого эффекта принимаются дополнительные меры по отводу газа из зазоров.
2. Новая патентованная высокотемпературная технология приклеивания чувствительного элемента к керамической подложке позволяет максимально уменьшить механические напряжения в нем при деформациях керамического основания.
3. Герметичный керамический корпус LLC20 обеспечивает надежную защиту компонентов прибора от внешних воздействий и уменьшение зависимости характеристик от температуры.
4. Специализированная интегральная схема обеспечивает высокую точность прибора на всем диапазоне температур, вплоть до 175°C. Электроника включает три функциональных блока обработки сигнала: дифференциальную схему преобразования заряда датчика угла в напряжение, программируемый усилитель и низкочастотный фильтр, устраняющий высокочастотные помехи в выходном сигнале. Использование дифференциального выхода позволяет устранить синфазные помехи выходного сигнала и увеличить его крутизну вдвое. Кроме того, новая электроника предусматривает функции индикации при ускорениях выше диапазона измерений, восстановления после ударов и самотестирования как механического, так и электрического модуля посредством приложения электростатической силы к маятнику.
Несмотря на все нововведения в акселерометрах серии TS1000T, при их производстве применяется большая доля технологий, используемых в компании для производства серийных линеек акселерометров, что позволяет снизить стоимость конечной продукции.
Рассмотрим некоторые ключевые характеристики, которые удалось улучшить в новых МЭМС-акселерометрах серии TS1000T.
В линейку входят акселерометры с тремя диапазонами измерений: ±2g, ±5g, ±10g. Ниже речь пойдет об акселерометре с диапазоном ±2g (см. таблицу). Величина температурного коэффициента изменения нулевого сигнала в таком акселерометре составляет менее 100 мкg/°C, а остаточная величина нулевого сигнала после простейшей алгоритмической компенсации полиномом третьей степени не выходит за пределы ±600 мкg (или 300 ppm от диапазона измерения) в диапазоне температур от –40 до 150°C (рис.5).
Температурный коэффициент изменения масштабного коэффициента для того же акселерометра составляет менее 120 ppm/°C, а после алгоритмической компенсации полиномом третьей степени масштабный коэффициент меняется не более чем на 300 ppm в диапазоне температур от –40 до 150°C (рис.6).
Типовое значение нелинейности составляет ±0,3%, а после компенсации – 0,02%, если рассматривать наиболее используемый диапазон ±1g (рис.7).
Необходимо также отметить, что акселерометры серии TS1000T проходят испытания на удары величиной 1 500g и продолжительностью 0,2 мс (500 ударов), при этом их характеристики не ухудшаются.
Таким образом, Colibrys предлагает компаниям, занимающимся разработкой оборудования для измерений во время бурения, каротажа и каротажа во время бурения, новые высокотемпературные МЭМС-акселерометры, которые могут быть использованы как альтернатива кварцевым или в качестве резервной триады акселерометров. Cерия TS1000T знаменует собой прорыв в области высокотемпературных акселерометров, предназначенных для применения в условиях бурения. Они обладают высокой надежностью и прочностью, повышенной стойкостью к ударам и вибрации, долговременной стабильностью нулевого сигнала во всем диапазоне рабочих температур вплоть до 175°C, а также малыми нелинейностью и уровнем шума.
Ввиду большей стойкости МЭМС-акселерометров серии TS1000T к ударам и вибрации по сравнению с кварцевыми акселерометрами, а соответственно и более высокой надежности, их использование во время бурения в качестве основной или резервной системы существенно повышает надежность системы ориентации в целом. Это, в свою очередь, позволяет снизить риски появления задержек при бурении в случае выхода из строя кварцевых акселерометров и уменьшить дополнительные затраты.
Акселерометры TS1000T соответствуют высоким требованиям, предъявляемым к оборудованию для нефтегазовой отрасли, в том числе по работе при температуре до 175°C, что необходимо для бурения на глубинах до 6 км. Это касается как высокоточного оборудования для измерений во время бурения (точность измерения угла у акселерометра с диапазоном ±2g составляет ±0,1°), так и менее требовательного оборудования для каротажа и геофизических исследований.
Выпуск нового высокотемпературного акселерометра TS1000T демонстрирует приверженность компании Colibrys к постоянному развитию линейки высокоточных датчиков, которые предназначены для применения там, где требуется обеспечить высокую надежность в жестких условиях эксплуатации.
--------------------------------------------------------------------------------
[1] 1 Компания Colibrys, директор по развитию линейки продукции, david.balmain@colibrys.com.
2 Компания "Радиант-Элком", руководитель отдела датчиков, ponomarev@ranet.ru.
Отзывы читателей
