电子技术的发展历程向人们展示了产品小型化的诸多优点。微米级的制造加工要求实现机器设备的微型化。多数MEMS器件由硅基微电子装置和微电机组成，硅基微电子装置的功能相当于系统大脑，而微电机则相当于系统的眼睛和四肢。这些器件以多种方式对周围环境进行探测和控制。传感器能够探测热量、机械、化学及光学变化，而执行器能够运动至目标位置，对其周围环境中的各种元件进行测量和调节。

油田压力测量 受益于MEMS技术

一般情况下，微流体装置能够对体积极其微小（微升或纳升）的流体进行控制以精确引导流体流动方向，并测量流体性质和执行其它众多任务。它们被置于硅、玻璃、金属、塑料或合成橡胶内，其许多元件和泵、阀、混合器、过滤器及分离器等宏流体装置的元件相同。

鉴于井眼的内部空间狭小，MEMS和微流体装置似乎应该毫无疑问地能够在各种勘探开发技术中得到应用。这些装置占用空间小，流量小及能耗低，是井下作业的理想工具。如果制造出一种能够装载多个分别执行不同功能的MEMS传感器的设备仪器，那将是非常具有吸引力的装置。

在大多数情况下，加工完成的MEMS和微流体装置是以芯片的形式离开工厂的，非常容易破碎。因此，MEMS封装对装置的完好性及其性能有着极其重要的影响。对那些环境条件恶劣的油田来说这一点尤其重要。

斯伦贝谢的MEMS专业封装技术用于达到以下几个目的：首先，通过封装，MEMS设备才能够被机械连接到工作系统中；其次，通过封装，MEMS设备才能够与系统电子装置进行电气互联；另外，封装的作用还在于实现MEMS电气互联的绝缘，同时保护装置不受腐蚀、侵蚀、冲击及振动等影响。包装通常能够吸收巨大作业压力所引起的应力，从而使MEMS和微流体芯片能够在无应力的环境下工作，令芯片的内部和外部压力达到平衡。

油田的压力测量工作已经开始受益于MEMS技术。斯伦贝谢与Caltech合作开发了一系列MEMS压力传感器。这些传感器的精度与宏观传感器相当，线性响应高达25000psi（172.37MPa），在150℃（302℉）温度下的稳定度小于2psi（13.8kPa）/月。压力传感器是基于仅有几微米厚的低应力氮化硅膜而设计的，它利用多晶硅压敏电阻和惠斯通电桥原理来测量应变诱导的电阻变化情况（图1）。利用反应方程来记录装置的输出电压，进而换算出绝对压力值。

MEMS压力传感器封装采用凝胶和环氧树脂来保护中、短期使用寿命型的装置。长期使用寿命型的MEMS压力传感器则需要更加坚固的封装。利用填充了少量非腐蚀性可压缩油的薄膜或真空膜盒可以对传感器提供隔离保护，使其免受外界环境的影响。然而，这种封装会影响装置的灵敏度并可能对装置的测量精度，重复性以及尺寸造成影响。尽管如此，实践证明，采用真空膜盒仍是防止压力传感器受到腐蚀和侵蚀最有效的方法。 压力测量（包括其它多种参数的测量）要受到温度的影响。在开发装置响应算法时，温度是必须考虑的一个因素。但几乎所有MEMS传感器都能够通过测量金属或非金属压敏电阻器（如多晶硅）的电阻来测得温度。材料的电阻会随温度的变化而变化，而变化幅度取决于材料的温度系数。该系数为一已知的常数。 电潜泵（ESP）是应用MEMS压力传感器的一个例子。MEMS压力传感器是斯伦贝谢Axia ESP举升系统的重要构成部分。该系统提供实时监测、监控及诊断分析。

微技术助益传感器

除了压力测量之外，传感器小型化对于测量流体性质（即流体密度和粘度）可能有着极其重大的意义。DVMEMS是一款颇具潜力的设计，它利用由熔结的硅绝缘体（SOI）晶片顶层制成的薄振动片进行工作。

振动片的振动是通过将传感器放入磁场，同时让振荡电流通过板上线圈来实现的。振动力的大小与垂直于磁场的导体长度、磁场强度和电流强度的乘积成正比（图2）。

和其它振动元件技术一样，DVMEMS传感器利用应变仪——而在此处，利用惠斯通电桥配置的压敏电阻器靠近振动片的固定端—来测量谐振频率和质量因子。环绕振动片的流体会降低真空装置所记录的参考值的谐振频率和质量因子。振动片与流体的相互作用使用户得以确定流体的密度和粘度。由于作用于振动片的流体质量的增加，频率会随着流体密度的增加而下降。随着流体粘度的增加和振动片振动幅度的不断衰减，质量因子将下降。

科研人员首先根据已被业界认可了的某一温度下的甲苯密度和粘度值对DV MEMS设备进行了调校，然后将其用于确定温度范围在323K～423K（122至302°F）时的辛烷密度和粘度。辛烷密度的测量结果与通过公认的密度计算公式计算出来的结果相比，误差不到（±）0.5%。

同时，将使用DV MEMS设备确定的辛烷粘度与文献中记载的粘度值也进行了比较。当温度在423K以下时，粘度值与文献值相差（±）5%。当温度为423K时，DV MEMS辛烷粘度测量结果与文献值相差不到（±）13%。然而，在考虑了DV MEMS粘度测量结果的最大不确定性以后，该结果与使用振动丝粘度仪（一种常见的用于测量粘度的实验室设备）测得的粘度值是基本吻合的，即误差不超过（±）6%。

DV MEMS传感器研究的近期目标是开发出一个综合模型，然后利用其对适合油气田作业的流体密度和粘度范围展开研究。然而该器件在使用中需要不断地校准，而即使是这样，也常常很难得出进行测试的流体的综合性质。例如，在这一尺寸级别上，要想建立起移动固体与可压缩流体之间相互作用的数学表达式是非常困难的。

另外一组用来研究流体性质的微技术采用微流体装置。在微流体装置制造中使用越来越多的软光刻、塑料成型制造技术适用于普通的温度和压力环境，用来测试相对洁净的水体。目前该技术已被斯伦贝谢水资源服务部门所采用，并应用于Diver仪器用来长期监测地下水和地表水的水质参数。 例如，为了实现在水资源服务市场上的应用，斯伦贝谢对其模块式地层动态测试器（MDT）的实时流体分析仪（LFA）所采用的pH值测量方法进了微型化和自动化处理。由此开发出来的聚合物芯片尺寸仅有1×3英寸，其构成组件包括一个入水口、一个染料容器、若干流体电阻器、一个被动式混合器、一个光识别区、一个泵及一个出口过滤装置。所有这些组件均由微流体通道相互连接。由于不采用真空管进行互连，连接不易损坏，并且所有元件都安装或使用激光焊接在芯片上（图3）。

每次测量时，该系统采用光谱检测法在50微升试样（此剂量足够对芯片内的通道完成五次清洗）和1微升的试剂中测量pH值。整个系统集成在Diver仪器上。它能够以仅相当于两节半AA电池的能量消耗完成600次测量，连续六个月独立完成包括数据处理和数据存储等各项任务。微流体装置占用空间小是该装置一个很重要的优势。

斯伦贝谢还开发了许多微流体装置来执行各类流体控制功能（如微流体通道内部的相分离及流量监测）。虽然每一种装置只执行某一特定功能，但若将几种装置结合起来，他们就成了“芯片实验室”－流体工厂的基本构成单元。

微技术使用前景广阔

回顾技术发展的历史，每一项新集成技术的应用都会带来成本的大幅下降以及效率和性能的显著提升。随着油气工业MEMS的不断发展，传感器、执行器和计算单元有朝一日可能会被集成在一块芯片上。目前还没有哪一项技术能够将所有这些功能都完美地融入到现场作业系统中。倘若能够为油田开发出一种能够对环境进行远程监控、解释和控制的装置，将会对整个勘探开发行业带来巨大影响。

利用MEMS和NEMS器件可能开发出识别分子间力的实验室方法。而利用这些方法原理，人们就能够建立起微观世界和宏观世界之间的“桥梁”。今天，人们利用悬臂板（一种类似于斯伦贝谢DV MEMS器件的装置，但尺寸要小约1000倍）来研究聚合物与金属之间的粘合力。MEMS和NEMS器件在基础科学领域的应用已经开始起步。

例如，人们开发出了一种带有集成电子位移换能器的纳米级悬臂传感器。该传感器在环境压力下接近分子的平均自由程。这使得该传感器能够进行质量分辨率在1阿克（10～18克）以下的吸附特性测量。

针对MEMS和微流体装置在油田应用中出现的问题，斯伦贝谢及其合作大学的科学家们正在研究解决方案。目前，微技术正快速拓展到各个勘探开发领域的应用中。例如，人们正在研究将微技术投入到油藏监测、随钻测井、随钻测量和电缆测井、智能完井以及地震数据采集等实际应用中。在油气行业，MEMS和微流体装置的应用领域正在不断拓展，这一点是显而易见的。