具有由层沉积形成的集成部件的井下电子器件封装件制造技术

一种用于在井筒中使用的设备可包括：将第一特性转换成第二特性的换能元件、响应于第二特性而产生信号的感测元件、沉积在换能元件上并限定轨道的层、以及有源电子部件。感测元件固定地连接到换能元件。有源电子部件固定地连接到换能元件并且经由轨道与感测元件通信。一种相关方法形成具有该设备的井下工具，并且在井筒中操作该井下工具。

Downhole electronic device package with integrated components formed by layer deposition

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有由层沉积形成的集成部件的井下电子器件封装件
本公开整体涉及用于井下使用的紧凑且稳健的电子器件。
技术介绍
烃的勘探和生产通常需要使用被降低到钻孔中的各种工具，诸如钻井组件、测量工具和生产装置(例如，压裂工具)。电子部件可被设置在井下以用于各种目的，诸如对井下工具的控制、与表面的通信以及数据的存储和分析。传统印刷电路板是此类电子部件中的一种。印刷电路板(PCB)是包括支撑不同元件的基板的金属板或板，不同元件构成包含它们之间的电互连件的电路。基板通常由环氧树脂制成。又如，多芯片模块(MCM)为具有多个导体端子或“引脚”的电子组件，其中集成了多个集成电路(IC或“芯片”)、半导体模片和/或其他分立部件，通常被集成到统一基板上，使得在使用时其被当作单个部件来处理。其他术语，诸如“混合”或“混合集成电路”也是指MCM。制造PCB的尺寸和成本是妨碍在井下工具中有效使用此类电子器件的一个因素。在各方面，本公开解决了对于用于井下应用的增强的、更紧凑的且稳健的电子部件的需要。
技术实现思路
在多个方面，本公开提供了一种在井筒中使用的设备。该设备可包括换能元件、感测元件、至少一个层和至少一个有源电子部件。换能元件将第一特性转换成第二特性。感测元件响应于第二特性而产生信号并且固定地连接到换能元件。在一个实施方案中，感测元件连接到换能元件而不具有任何柔性连接。至少一个层沉积在换能元件上并限定至少一个轨道。至少一个有源电子部件固定地连接到换能元件并且经由至少一个轨道与感测元件通信。在一个实施方案中，有源电子部件连接到换能元件而不具有任何柔性连接。在多个方面，本公开提供了一种用于在井筒中使用设备的方法。该方法包括形成包括上述设备的井下工具，将该井下工具传输到井筒中，以及在井筒中操作井下工具。已对本公开的某些特征的示例进行了相当广泛的概述，以便可更好地理解下面的具体实施方式，并且可理解它们对本领域所代表的贡献。附图说明为了详细理解本公开，应当参考结合附图进行的以下对实施方案的详细描述，其中类似的元件已给出类似的数字，其中：图1示出了根据本公开的可使用一个或多个电子器件封装件的井系统的示意图；图2示出了根据本公开的电子器件封装件的一个实施方案；图3示出了根据本公开的一个实施方案的基板；图4示出了根据本公开的一个实施方案的形成感测元件、轨道和沉积在换能基板上的焊盘的层；图5示出了根据本公开的电子器件封装件的一个实施方案；图6示出了根据本公开的包括容纳部件的电子器件封装件的一个实施方案；并且图7示出了根据本公开的电子器件封装件的一个实施方案，该电子器件封装件包括裸模部件和可丝焊部件以及粘合剂附接部件。具体实施方式在各方面，本申请提供了可使井下电子器件(诸如传感器和相关电子器件)所需的空间最小化的装置。根据一些实施方案的电子器件封装件不使用PCB或者陶瓷安装结构或布线。连接传感器元件及其电子或光学电路的轨道可通过在基板上沉积一个或多个层而在几个或甚至仅一个制造步骤中产生。为了更好地理解本公开的教导内容，下文描述了其中可使用根据本公开的装置的钻井系统。现在参见图1，示出了利用钻孔柱12的钻井系统10的一个示例性实施方案，该钻孔柱可包括用于定向钻探钻孔16的井底组件(BHA)14。虽然示出了陆基钻机，但这些概念和方法同样适用于海上钻井系统。钻孔柱12可从钻机20悬挂下来，并且可包括接头管或连续油管。在一种配置中，BHA14可包括井下工具，诸如钻头15、传感器接头32、动力和/或通信模块诸如双向通信和动力模块(BCPM)34、地层评估(FE)接头36、以及旋转式动力装置诸如钻井马达38。传感器接头32可包括用于测量近钻头方向(例如，BHA方位角和倾角，BHA坐标等)的传感器以及用于进行旋转方向测量的传感器和工具。地层评估(FE)接头36可包括用于测量地层特性的传感器，诸如核工具、电阻率工具、声学工具、NMR工具。钻孔柱12还可包括用于测量钻井过程的动态特性，诸如重量、扭矩、渗透速率、旋转速度、振动、加速度、力、应变、弯曲等的传感器，其可用于监测和/或控制钻井过程。该系统还可包括信息处理装置，诸如表面控制器50和/或井下控制器42。表面和BHA14之间的通信可使用上行链路和/或下行链路，上行链路和/或下行链路可由泥浆驱动的交流发电机、泥浆脉冲发生器、电磁发射器、声学发射器产生以及/或者经由泥浆、硬丝(例如，电导体、光纤)、地层、钻孔或钻孔柱12所传送。上行链路和/或下行链路可包括压力脉冲、电信号、声学信号或电磁信号或它们的组合。一个或多个电子器件封装件可在BHA14或钻孔柱12的其他部件内使用，以提供数据存储和处理、通信和/或控制功能。参见图2，示出了电子器件封装件100的一个非限制性实施方案，该电子器件封装件可与图1的钻井系统10一起使用。在一个非限制性实施方案中，封装件100可包括换能基板或换能元件102，也称为换能器，其被配置成将应变、弯曲、力、扭矩、压力、温度、扩张和/或收缩中的一种或多种转换成一个或多个信号诸如电信号(例如，电压或电流)、光学信号、位移和/或尺寸(例如，长度、面积、体积或形状)。封装件100还可包括一个或多个传感器或传感元件104，其被配置成感测所转换的特性并且响应于感测到的所转换的特性而产生模拟或数字信号；焊盘110或轨道112；和一个或多个电子部件，例如无源部件106或有源部件108，其被配置成经由轨道112中的至少一个而与感测元件104通信。如本文所用，换能器或者换能基板或换能元件是将第一特性转换在第二特性中或转换为第二特性的装置。例如，换能器或者换能基板或换能元件是将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。更具体地，换能器将一种形式的能量的信号转换为另一种形式的能量的信号。例如，机械换能器将第一机械特性转换为不同的第二机械特性或非机械特性，或反之亦然。例如，电阻应变仪可将应变或加长转换成电信号，隔膜可将压力变化转换成机械运动，实心板可将力信号、扭矩信号或弯曲信号转换成位移、加长、收缩、弯曲等。非机械换能器可将第一非机械特性转换成第二非机械特性。例如，热电偶将温度信号转换成电信号等。如本文所用，无源部件是为了执行其预期功能而不需要电功率源的部件；例如，电池、电阻器、电容器、电感器、天线、变压器等。通常，无源部件可以电压或电流的形式存储或保持能量，但不能向系统添加能量。如本文所用，有源部件是需要电功率源以便修改电输入信号和/或产生电输出信号(例如，放大器，诸如前置放大器、模数转换器、处理器、微处理器、真空管)的部件，并且可包括或可不包括半导体。功率源可以是与电子器件封装件100具有柔性电连接的单独部件。在另一个实施方案中，功率源可通过刚性连接而固定地连接到换能元件102。在一个实施方案中，功率源可连接到换能元件102而无需任何柔性连接。有源部件通常能够电控制电路中的电子流以放大、将模拟信号转换成数字信号、校正、平均或以其他方式处理由感测元件104传送的信号。有源器件还可以向电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于井筒中的设备，其特征在于：/n-换能元件(102)，所述换能元件被配置成将第一特性转换成第二特性；/n-感测元件(104)，所述感测元件固定地连接到所述换能元件(102)并且响应于所述第二特性而产生信号；/n-至少一个层(130)，所述至少一个层沉积在所述换能元件(102)上，所述至少一个层(130)限定至少一个轨道(112)；和/n-至少一个有源电子部件(108)，所述至少一个有源电子部件经由所述至少一个轨道(112)固定地连接到所述换能元件(102)并与所述感测元件(104)通信。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170721 US 15/656,8511.一种用于井筒中的设备，其特征在于：
-换能元件(102)，所述换能元件被配置成将第一特性转换成第二特性；
-感测元件(104)，所述感测元件固定地连接到所述换能元件(102)并且响应于所述第二特性而产生信号；
-至少一个层(130)，所述至少一个层沉积在所述换能元件(102)上，所述至少一个层(130)限定至少一个轨道(112)；和
-至少一个有源电子部件(108)，所述至少一个有源电子部件经由所述至少一个轨道(112)固定地连接到所述换能元件(102)并与所述感测元件(104)通信。


2.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述至少一个有源电子部件(108)由电功率源供电并且被配置成以下中的至少一者：(i)修改电输入信号，以及(ii)产生电输出信号。


3.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述换能元件(102)为机械换能器。


4.根据权利要求3所述的设备，其特征还在于：所述换能元件(102)包括金属材料。


5.根据权利要求2所述的设备，其特征还在于：所述第一特性为应变、弯曲、力、扭矩、压力中的至少一者。


6.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述感测元件(104)通过以下中的至少一者固定地连接到所述换能元件(102)：(i)溅射，(ii)粘合剂附接，(iii)焊接，(iv)钎焊，和(v)粘结。


7.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述感测元件(104)为以下中的一者：(i)惯性感测元件，(ii)加速度计，和(iii)陀螺仪。


8.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述第一特性为扩张、收缩和尺寸中的至少一者。


9.根据权利要求1所述的设备，其特征还在于：所述至少一个有源电子部件(108)选自以下中的一者：(i)放大器，(ii)模数...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯蒂安·威利，马蒂亚斯·瓦伦，彼得·罗滕加特，马蒂亚斯·克鲁克，斯文亨德里克·乔恩斯，
申请(专利权)人：通用电气GE贝克休斯有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US