Spanish Oilfield Review

Un mundo pequeño pero prometedor
En la década de 1980, los primeros sistemas microelectromecánicos y microfluídicos
se originaron a partir de la tecnología de circuitos integrados. Desde entonces, los
desarrollos producidos en el mundo de las microtecnologías han sido sorprendentes.
Ahora, las microtecnologías poseen aplicaciones significativas en ambientes de
campos petroleros exigentes.
Dan E. Angelescu
Christopher Harrison
Ronald van Hal
Joyce Wong
Cambridge, Massachusetts, EUA
Eric Donzier
Olivier Vancauwenberghe
Elancourt, Francia
Anthony R. H. Goodwin
Sugar Land, Texas, EUA
María Manrique
Cambridge, Inglaterra
Yu-Chong Tai
Instituto de Tecnología de California
Pasadena, California, EUA
Por su colaboración en la preparación de este artículo, se
agradece a Andrew Meredith, Cambridge, Inglaterra; y a
Vincent Loccisano y Ram Shenoy, Cambridge, Massachusetts.
Se agradece además a Philip Dryden, Gale Gustavson,
Bhavani Raghuraman, Robert Schroeder y Jagdish Shah,
Cambridge, Massachusetts, por sus contribuciones al
desarrollo de los instrumentos Diver para el monitoreo a
largo plazo de los parámetros de calidad del agua
subterránea y del agua superficial. También deseamos
expresar nuestro reconocimiento a Mike Douglass, de
Texas Instruments Incorporated, Plano, Texas.
Axia, Diver, LFA (Analizador de Fluidos Vivos para el MDT) y
MDT (Probador Modular de la Dinámica de la Formación)
son marcas de Schlumberger. Digital Light Processing y
DLP son marcas comerciales de Texas Instruments.
60
Los pequeños dispositivos que integran los
elementos electrónicos y mecánicos, como los
sensores y accionadores, se convertirán en algo
común; si acaso se note su presencia. Hoy en día,
estos dispositivos ya operan como elementos
importantes en la industria automotriz, médica y
electrónica.
La evolución de la electrónica demuestra los
beneficios de la miniaturización. Los tubos de
vacío de principios de la década de 1900 cedieron
su lugar al primer transistor en la década de 1950
y a los circuitos integrados (IC) en la década de
1960. Los pequeños microprocesadores de nuestros días, introducidos en el año 1971, desarrollan
velocidades computacionales increíbles, y las
computadoras personales, ahora provistas de
enorme capacidad de memoria, son suficientemente económicas para que los consumidores las
tengan en sus hogares. Las comunidades de investigadores y fabricantes anticipan avances
importantes similares en el pequeño mundo de
las tecnologías de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y microfluídicos.1
¿Pero cuán pequeño es lo pequeño? La Fundación Nacional de Ciencias define las escalas de
tamaño de las piezas de fabricación de la siguiente manera: el rango de la “escala micrométrica” oscila entre 1 µm y 1 mm [0.00004 pulgada
y 0.04 pulgada], y el rango de la “escala nanométrica” es de menos de 1 µm.2 A modo de comparación, el diámetro de un cabello humano oscila
habitualmente entre 50 y 100 µm [0.002 y 0.004 pulgada] y el diámetro de un átomo de carbono es de
aproximadamente 0.1 nm [4 x 10-9 pulgadas]. La
fabricación a escala micrométrica procura la
miniaturización de las máquinas, haciendo uso a
menudo de los efectos mecánicos, tales como la
vibración de una capa delgada de material. Por el
contrario, la producción a escala nanométrica,
tiene lugar a nivel molecular e implica efectos
moleculares, pero trasciende el alcance de este
artículo. Entre el mundo de la escala nanométrica y el de la escala micrométrica, se encuentra el
mundo de los dispositivos mesoscópicos, en el
que los efectos cuánticos y clásicos se entremezclan en formas fascinantes y poco comunes.
En la mayoría de los casos, los dispositivos
MEMS combinan los componentes microelectrónicos a base de silicio, que funcionan como el
cerebro del sistema, con las micromáquinas que
actúan como sus ojos y brazos. Estos dispositivos
detectan y controlan su ambiente de diversas
maneras. Los sensores detectan los cambios termales, mecánicos, químicos y ópticos, mientras
que los accionadores se desplazan físicamente a
una posición, miden y regulan diversos elementos presentes en su ambiente.
En general, los dispositivos microfluídicos
controlan volúmenes de fluidos increíblemente
pequeños—microlitros y nanolitros—para dirigir
el flujo de los fluidos, medir las propiedades de un
fluido o ejecutar un sinfín de tareas diversas con
precisión. Desarrollados por primera vez a
comienzos de la década de 1990, estos dispositivos se fabrican con silicio, vidrio, metal, plástico o
elastómero, y poseen muchos de los mismos componentes utilizados en los dispositivos
macrofluídicos, incluyendo bombas, válvulas, filtros y separadores.3 Las tendencias recientes se
han desplazado hacia la aplicación de métodos de
fabricación de tipo litografía de bajo relieve, que
se basan en la impresión y el moldeo de dispositi-
Oilfield Review
> Millones de microespejos. Esta fotografía muestra una porción del chip DLP fabricado por Texas Instruments. Este chip se
utiliza en productos de video digital para consumo hogareño. El objeto “grande,” a la izquierda de la fotografía, es la punta de
una pinza de uso doméstico, lo que provee una escala de referencia llamativa. Este dispositivo MEMS especial está compuesto
por un arreglo de hasta 2,000,000 espejos microscópicos montados en bisagras. (Fotografía, cortesía de Texas Instruments.)
vos elastoméricos para construir sistemas microfluídicos, especialmente para la investigación
en el ámbito de las aplicaciones médicas y biomédicas. Estos métodos trasladan los sistemas
microfluídicos de las salas blancas a los laboratorios comunes, y proveen mayor flexibilidad para
los usuarios de dispositivos microfluídicos.4
A muchos quizás les sorprenderá enterarse
que los sistemas MEMS ya desempeñan un papel
importante en sus vidas cotidianas. Por ejemplo,
los acelerómetros MEMS se emplean como
sensores de activación en los sistemas de accio-
namiento de las bolsas de aire de los automóviles.
Los dispositivos microfluídicos ejecutan además
las funciones precisas de manipuleo de fluidos
que se encuentran en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta. Los sistemas MEMS han
sido fabricados para efectuar el monitoreo de la
fatiga estructural de los componentes críticos,
tales como los que se encuentran en las estructuras de alto valor como las aeronaves y han
demostrado ser promisorios en el campo petrolero. 5 Los sistemas micro-ópticos se utilizan
comúnmente en las comunicaciones por fibra
óptica. En términos de electrónica para consumidores, Texas Instruments ha desarrollado la
tecnología de Procesamiento de Luz Digital y el
chip DLP para los televisores digitales de pantalla grande, los proyectores de pantalla y los
productos para cine digital.6 La tecnología DLP
consiste en un arreglo de hasta 2,000,000 de
espejos microscópicos montados en bisagras,
orientados en forma independiente. Cada espejo
mide aproximadamente 15 µm [0.0006 pulgada]
de ancho y produce un pixel de la imagen de
salida (arriba).
1. En este artículo, la sigla “MEMS” se utiliza tanto para
expresar el singular como el plural del término sistema
microelectromecánico.
2. http://www.nsf.gov/mps/dmr/nanotech.pdf (Se
accedió el 15 de marzo de 2007).
3. Ouellette J: “A New Wave of Microfluidic Devices,”
The Industrial Physicist 9, no. 4 (2003): 14–17.
Stone HA, Stroock AD y Ajdari A: “Engineering Flows in
Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip,”
Annual Review of Fluid Mechanics 36 (Enero de 2004):
381–411.
4. Una sala blanca es un lugar que se utiliza para procedimientos de fabricación o investigación científica, en el
que se controlan los niveles de contaminantes ambientales, tales como polvo, microbios suspendidos en el
aire, partículas de aerosoles y vapores químicos. Existen
diversos sistemas de clasificación para establecer los
niveles de contaminación de las salas blancas, que se
expresan como el número de partículas por unidad de
volumen, con un tamaño de partícula especificado. Las
salas blancas emplean sistemas extensivos y sofisticados de filtrado, circulación de aire y bloqueo neumático,
y aseguran el cumplimiento de procedimientos meticu-
losos por parte del personal, a fin de mantener niveles
de contaminación bajos. Estas instalaciones a menudo
utilizan contadores de partículas para monitorear la efectividad de los esfuerzos de descontaminación del aire.
5. Morse J, Laskowski B y Wilson AR: “MEMS-Based
Corrosion and Stress Sensors for Non-Destructive
Structural Evaluation,” artículo SPE 71464, presentado en
la Conferencia y Exhibición Técnica Anual de la SPE,
Nueva Orleáns, 30 de septiembre al 3 de octubre de 2001.
6. http://www.dlp.com/dlp_technology/
dlp_technology_overview.asp#1 (Se accedió
el 28 de febrero de 2007).
Verano de 2007
61
[001]
[001]
(110)
(110)
[010]
[001]
[010]
[100]
[010]
[100]
(100)
(110)
[100]
(111)
{100} planos
{110} planos
{100} planos
45°
{110} plano primario
{100} oblea típica
> Planos de cristales en semiconductores. En el extremo superior se encuentran los Índices de Miller, o las descripciones matemáticas de un cristal basadas en una combinación de tres dígitos, consistentes en "0" o "1" que definen
planos específicos denotados con "( )," y direcciones, denotadas con "[ ]." Un
conjunto de planos cristalográficos equivalentes se identifica utilizando “{ }.”
Un diagrama esquemático de una oblea de silicio típica {100} (extremo inferior)
muestra las orientaciones de los planos cristalográficos, información crucial
a la hora de desarrollar los procedimientos de micromaquinado MEMS. Los
fabricantes de materiales cortan las obleas de lingotes de silicio. El plano
superior se denomina plano de corte. Los planos chatos definen la orientación de la estructura cristalina y, en muchos casos, proveen la información
sobre las propiedades eléctricas que necesitan los fabricantes.
Los científicos están explorando las tecnologías MEMS y microfluídicas en forma creciente
para crear aplicaciones minúsculas de tipo
“laboratorio en un chip” en el campo de la medicina. Por ejemplo, se están desarrollando
microtecnologías para separar las fibras de DNA
complementario y producir múltiples idénticos
de la misma fibra, a través del calentamiento
cíclico del DNA. Se utiliza una tecnología similar
para identificar tipos de virus.7 Según se informó,
los ingresos que genera la utilización de los sistemas MEMS en medicina solamente ascendieron
a US$ 1,000 millones en el año 2005.8
Los ingenieros y científicos que trabajan en la
industria de E&P se adhieren al mundo de las
microtecnologías. A pesar de ciertos escollos, el
movimiento hacia lo microscópico continúa; en
ciertos casos, en forma rápida y en otros, con más
cautela. Este artículo introduce los conceptos
básicos de los sistemas MEMS, incluyendo las
ventajas y desafíos que implica su utilización.
Además, se examina la fabricación de los sistemas MEMS y sus aplicaciones en el campo petrolero.
62
Lo microscópico: ¿Magnífico o mal encaminado?
No es sorprendente que en el núcleo de los argumentos que giran en torno a la utilización de la
tecnología MEMS en el negocio de E&P se encuentre su tamaño. Siendo ventajosos por ser
diminutos, los dispositivos MEMS se adecuan a
espacios confinados—como los pozos y las
herramientas de fondo de pozo—y ocupan muy
poco lugar en los ambientes en los que el espacio disponible es muy difícil de conseguir. Sus
requerimientos de potencia son comparables
con los de los componentes microelectrónicos
de silicio y más bajos que los de los macrodispositivos que ejecutan tareas similares. Además,
una vez que se concibe una metodología de
fabricación de dispositivos MEMS y se demuestra su eficacia, la producción en masa de los
dispositivos MEMS puede ser eficaz desde el
punto de vista de sus costos. En la industria, los
dispositivos MEMS han demostrado su confiabilidad y facilidad de integración dentro de los
sistemas a los que están destinados.
La industria de IC ha hecho del silicio un
material bien conocido. En la micro escala, las
propiedades del silicio son ideales, debido a su
estructura reticular cristalina a base de diamante
con una unidad primitiva cúbica; o su bloque de
repetición más pequeño. El silicio se adecua
mecánicamente a la fabricación de los dispositivos MEMS, y con procesos de impurificación o
dopado con impurezas—práctica utilizada en la
fabricación de IC—puede ajustarse eléctricamente a requerimientos de diseño específicos.
La comprensión de la forma cristalina del silicio es crucial en los procesos de micromaquinado
(izquierda). La simetría en torno a sus tres ejes
principales y la relación entre los tres planos cristalográficos, pueden dictaminar las geometrías de
grabado y, en última instancia, la funcionalidad
de los sistemas MEMS. La forma cristalina, la
unidad preconfigurada y reutilizable fundamental de los sistemas MEMS, es producida en forma
de oblea a un costo relativamente bajo. Las
formas policristalinas y amorfas del silicio se
depositan usualmente como películas delgadas y
son comunes en la producción de MEMS. El silicio policristalino, o polisilicio, se ha convertido
en un material particularmente útil para la
creación de estructuras micromecánicas y la provisión de interconexiones eléctricas dentro de los
dispositivos MEMS.9
Desde los conceptos iniciales hasta la fabricación de los dispositivos, las herramientas de
diseño asistido por computadora (CAD) son clave
para el diseño, análisis y fabricación de dispositivos MEMS de alto desempeño. Se dispone de
diversas versiones del software CAD comercial,
incluyendo las de COMSOL, SoftMEMS, Coventor,
CFDRC e Intellisense Software. En la etapa inicial del proceso de diseño, las herramientas CAD
proveen a los usuarios una plantilla 2D, una base
de datos con propiedades de materiales y procesos, y capacidades de generación de modelos 3D.
Para el análisis, además de las dependencias con
respecto a los materiales y los procesos, la mayoría de las herramientas CAD incorporan modelos
multifísicos que dan cuenta de los parámetros
mecánicos, termales, electrostáticos, magnéticos
y fluídicos para proporcionar una imagen más
precisa del comportamiento del dispositivo
MEMS antes de la fabricación. Todas estas características ayudan a acortar el ciclo de desarrollo
a la hora de optimizar el desempeño del dispositivo MEMS final.
En el proceso de fabricación, los materiales de
construcción, que incluyen además óxidos de silicio, nitruros, carburos y diversos metales—aluminio, titanio, tungsteno, oro, platino y cobre—se
depositan como películas delgadas. A través de
una diversidad de procesos de micromaquinado,
que involucran la depositación en capas, la lito-
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grafía, el grabado y la ligadura, se crean los
pequeños dispositivos mecánicos y electromecánicos por lotes.
Los efectos debilitadores de la temperatura
elevada son particularmente pertinentes al
diseño de los componentes electrónicos de los
sistemas MEMS porque el silicio es un semiconductor. Por ejemplo, los piezorresistores,
ampliamente utilizados en las tecnologías
MEMS para medir la presión, la deformación y la
aceleración, dependen considerablemente de la
temperatura. Estos efectos de la temperatura
deben ser caracterizados y compensados para
posibilitar una salida constante dentro del rango
operativo requerido.10
Además, los dispositivos MEMS que utilizan
estructuras móviles suspendidas, son frágiles y
deben ser protegidos con embalajes diseñados
específicamente. Dado que los fluidos corrosivos
pueden dañar los sistemas MEMS sin protección,
la compatibilidad de los fluidos suele ser un
aspecto importante de la selección de los materiales MEMS. Los carriles metálicos diminutos—
con anchos del orden de 30 µm [0.0012 pulgada]—que transmiten las corrientes eléctricas en
los dispositivos MEMS deben adosarse al cableado estándar a través de fijaciones de hilos de
conexión notoriamente delicados y proclives a la
falla. Por otra parte, los dispositivos MEMS son
difíciles de reparar una vez dañados. Por su
tamaño, los dispositivos MEMS y los dispositivos
microfluídicos, diseñados para interactuar directamente con fluidos, pueden obstruirse si el fluido contiene partículas pequeñas, lo que impide
que el dispositivo funcione.
Los dispositivos microfluídicos han sido utilizados exitosamente con fluidos limpios que
poseen cantidades mínimas de sustancias en partículas, lo que no suele suceder con los fluidos de
los campos petroleros. Las propiedades físicas de
los fluidos siguen siendo las mismas en la micro
escala. No obstante, el equilibrio de las fuerzas
que actúan sobre el fluido puede cambiar con7. http://www.memsinvestorjournal.com/2006/08/
biomems_has_bee.html (Se accedió el 16 de
marzo de 2007).
http://www.wtec.org/mems1/report/09-Chapter_7.pdf
(Se accedió el 16 de marzo de 2007).
8. http://www.researchandmarkets.com/reports/c39504
(Se accedió el 12 de marzo de 2007).
9. Maluf N: “The Sandbox: Materials for MEMS,” en Maluf
N y Williams K: An Introduction to Microelectromechanical
Systems Engineering. Boston, Massachusetts: Artech
House (2000): 20–34.
10. Siva Prasad MSY, Kumar S y Ravi G: “Modelling and
Experimental Verification of Temperature Effects of a
Piezo-Resistor and Design of Compensation
Electronics,” artículo ISSS-2005/SE-08, presentado en la
Conferencia Internacional sobre Materiales, Estructuras
y Sistemas Inteligentes, Bangalore, India, 28 al 30 de
julio de 2005.
11. Ouellette, referencia 3.
Verano de 2007
Creación de patrones
• Litografía óptica
• Litografía a doble cara
Capa fotorresistente
Película delgada
Sustrato (película de base)
Depositación
• Epitaxia
• Oxidación
• Aplicación de
recubrimientos por
pulverización catódica
• Evaporación
• Depositación química
en fase de vapor (CVD)
• Método de rotación rápida
Grabado
• Isotrópico húmedo
• Anisotrópico húmedo
• Isotrópico seco
• Anisotrópico seco
• Por plasma
• Grabado iónico reactivo (RIE)
• Grabado iónico reactivo
profundo (DRIE)
> Pasos básicos típicos en los procesos de micromaquinado de los sistemas
MEMS. En primer lugar, el personal de fundiciones deposita capas o películas delgadas sobre una base de sustrato; usualmente de silicio. En segundo
lugar, se utiliza una máscara fotolitográfica, definiendo el material que ha de
removerse y el que debe quedar. En tercer lugar, el material se graba y luego
se remueve selectivamente o bien se protege de acuerdo con la máscara
litográfica. Se enumeran varios métodos para la consecución de cada uno
de estos pasos. Estos pasos pueden reiterarse varias veces hasta satisfacer
los requisitos de diseño.
forme la tensión superficial y las fuerzas viscosas
se vuelven dominantes en la micro escala, debido
a las tasas de corte y a las relaciones superficievolumen más altas involucradas.11 Las fuerzas
eléctricas también se vuelven importantes en la
micro escala. Como ejemplo, los voltajes aplicados se pueden utilizar para manipular el flujo de
fluidos en los sistemas microfluídicos, en tanto
que en las escalas más grandes no producen ningún impacto.
En ciertas situaciones, los desafíos económicos radican en el costo elevado del diseño inicial
y la fabricación, y en los costos fijos, tales como
la erogación que implica el mantenimiento de
las costosas salas blancas e instalaciones de
montaje. En consecuencia, la ventaja de la fabricación de los sistemas MEMS por lotes, que
reduce el costo unitario de fabricación, desaparece rápidamente si el número de unidades
MEMS fabricadas es bajo.
Lo microscópico en preparación
La fabricación de los dispositivos MEMS y microfluídicos no se relaciona simplemente con su
viabilidad económica; la forma en que se elaboran define su función. Muchas de las ventajas
observadas en las tecnologías MEMS provienen
de los materiales utilizados en su construcción.
Como en la fabricación de los IC de los semiconductores, el silicio se ha convertido en el
material preferido para la fabricación de los sistemas MEMS por diversos motivos. Además de
su costo relativamente bajo, la estructura cristalina del silicio provee propiedades eléctricas y
mecánicas casi ideales para la microfabricación.
Muchas tecnologías utilizadas en los pro cesos de micromaquinado MEMS fueron
desarrolladas originalmente para la industria de
la fabricación de IC. No obstante, la fabricación
de dispositivos MEMS requiere muchas tecnologías nuevas, que apuntan fundamentalmente a
la creación de estructuras 3D. Estas técnicas no
suelen ser compatibles con la tecnología de producción de IC, lo que obliga a los productores de
sistemas MEMS a abrir sus propios laboratorios
y fundiciones.
La fabricación típica de un dispositivo MEMS
consiste en tres pasos básicos (véase “Fabricación de los sistemas MEMS,” próxima página).
Sobre un sustrato adecuado—usualmente de
silicio y a veces de zafiro—se colocan o depositan películas delgadas. Este proceso es
seguido por un proceso litográfico, para definir
un patrón, y por un proceso de grabado para
crear una estructura tridimensional (arriba).
(continúa en la página 66)
63
Fabricación de los sistemas MEMS
En la fabricación de los sistemas MEMS, la
depositación de las películas delgadas puede
realizarse mediante procesos químicos o
físicos.1 Los métodos químicos utilizan composiciones gaseosas y líquidas que reaccionan
con el sustrato para formar capas delgadas y
sólidas de material. Existen varios métodos
químicos comunes.
Depositación química en fase de vapor
(CVD)—Este método implica reacciones
superficiales a alta temperatura—habitualmente por encima de 300°C [572°F]—en
una atmósfera controlada para producir un
depósito de capas dieléctricas o metálicas
delgadas de alta calidad.
Electrodepositación o galvanoplastia—
Este proceso tiene lugar cuando el sustrato
se coloca en una solución electrolítica, con
un potencial eléctrico entre el sustrato y un
electrodo también presente en la solución,
con la depositación de capas metálicas de
cobre, oro o níquel.
Epitaxia—Este método implica el crecimiento de capas cristalinas delgadas—de
1 a 100 µm—que poseen la misma orientación de los cristales que el sustrato cristalino,
o el crecimiento de capas policristalinas
sobre sustratos amorfos.
Oxidación termal—Este proceso
relativamente simple implica la oxidación de
los materiales para formar una capa aislante
delgada o una capa de sacrificio que ha de
removerse posteriormente. No es sorprendente que la capa oxidada más común, creada
en la fabricación de dispositivos MEMS, sea
de dióxido de silicio [SiO2].
Los métodos de depositación física colocan
el material que se pone en capas directamente sobre el sustrato, sin explotar las
reacciones químicas. Las técnicas físicas más
comunes son la depositación física en fase de
vapor y la fundición (colada). La depositación
física en fase de vapor tiene lugar en un vacío
mediante la evaporación de la materia prima
y su subsiguiente condensación sobre el
sustrato, dentro del mismo vacío, o a través
64
Radiación
Máscara
Material fotosensible
Sustrato
Las propiedades del
material fotosensible
cambian sólo ante la
exposición a la radiación
Sustrato por pulverización
con baño revelador
Capa de protección
positiva
Capa de protección
negativa
El baño revelador
remueve el material
expuesto
El baño revelador
remueve el material
no expuesto
> Proceso fotolitográfico. La radiación de la luz
se bloquea selectivamente con una máscara que
contiene el patrón deseado. Por debajo de la máscara, el material fotosensible expuesto, o capa
fotorresistente, se vuelve susceptible o bien resistente a la erosión durante el proceso de
revelado.
de un proceso que se conoce como aplicación
de recubrimientos por pulverización catódica,
en el que los iones de alta energía de un
plasma gaseoso, tal como el argón, bombardean el material del blanco haciendo que los
átomos del blanco sean liberados y depositados sobre la superficie del sustrato. La
técnica de fundición es una técnica simple
utilizada mayormente para la depositación de
polímero, en la que la materia prima se
disuelve en un solvente y luego se atomiza o
se recubre por centrifugado sobre el material
de la oblea del sustrato.
El segundo paso general en la fabricación
de los dispositivos MEMS es la transferencia
de un patrón fino que utiliza una fuente de
radiación—tal como la luz ultravioleta—
sobre una capa fotorresistente. Si se exponen
a la radiación de una longitud de onda
específica, las propiedades físicas de la capa
fotorresistente cambian. La selección del
material fotorresistente dictamina si las
porciones expuestas de la capa se vuelven
más solubles en un revelador—una capa
protectora positiva—o se polimerizan y se
vuelven resistentes al revelador; una capa
protectora negativa (arriba).
Un aspecto extremadamente importante de
la definición de patrones en los procesos de
micromaquinado MEMS, que incluye habitualmente entre 10 y 20 máscaras litográficas
para terminar un dispositivo MEMS, es el
Oilfield Review
1. https://www.memsnet.org/mems/processes/
deposition.html (Se accedió el 16 de marzo de 2007).
Verano de 2007
Grabado húmedo
Grabado (seco)
por plasma
Isotrópico
La técnica de grabado húmedo es la más
simple de las dos e implica la exposición del
material del blanco a una solución que
disuelve los volúmenes especificados en la
forma prescripta por el diseño. Los detalles
del grabado húmedo son significativamente
más complejos. El método depende del
balance entre la plantilla de la máscara fotorresistente, que no se disuelve o se disuelve a
una velocidad mucha más lenta, y el material
a grabar. En general, existen dos tipos de
técnicas de grabado: isotrópico, cuando el
grabado puede tener lugar en todas las direcciones a la misma velocidad, y anisotrópico,
cuando el grabado se produce más rápidamente en una dirección que en las otras.
Para el grabado húmedo del silicio simple y
policristalino, los ácidos para grabar habituales incluyen una mezcla de ácido fluorhídrico
[HF], ácido nítrico [HNO3] y ácido acético
[CH3COOH]; para el grabado húmedo del
nitruro de silicio y los metales, tales como el
aluminio, suelen utilizarse mezclas que
contienen ácido fosfórico. En las aplicaciones
en las que se prefieren perfiles anisotrópicos
en el silicio, se utilizan habitualmente ácidos
para grabar que dependen de la orientación,
tales como el hidróxido de potasio (KOH) y el
hidróxido de tetrametilamonio (TMAH). Una
teoría común que explica porqué el grabado
preferencial se produce en ciertos planos
cristalográficos en el silicio, sostiene que
existen ligaduras más débiles en ciertos planos.
Otra teoría sugiere que algunas superficies
planas pueden oxidarse más rápido, lo que
las hace más resistentes al grabado.
Cuando el diseño requiere perfiles de grabado verticales bien definidos, de rasgos con
dimensiones laterales reducidas, se prefiere
un proceso diferente conocido como grabado
seco. El grabado iónico reactivo (RIE) es una
técnica de grabado seco que utiliza una mezcla
de plasma gaseoso dentro de un reactor y
tanto procesos físicos como químicos para
remover el material con precisión. Los gases
se exponen a un campo eléctrico, creando un
plasma e iones; los iones del plasma se ace-
Anisotrópico
aseguramiento de la alineación adecuada
durante todos los pasos del proceso. Para
lograrlo, las marcas de alineación en la oblea
que opera como sustrato deben ajustarse a los
patrones de alineación definidos en las
máscaras litográficas, conforme se desarrolla
la exposición. Las marcas de alineación
subsiguientes se imprimen luego en la capa
superior para proporcionar capacidad de
alineación una vez desvanecidas las capas de
alineación originales.
Para lograr una transferencia de patrones
exitosa, y la subsiguiente remoción de la
cantidad de material requerida, se debe
suministrar la cantidad y longitud de onda
correctas de la radiación. Los factores que
dictaminan la dosificación de la radiación
por unidad de volumen del material
fotorresistente incluyen el tipo de material
del blanco, su espesor y el hecho de si la
capa que se encuentra debajo de la capa
fotorresistente es reflectante o adsorbente.
La presencia de luz difusa y difractada
puede hacer que durante la revelación se
erosionen zonas no destinadas a ser
expuestas—en el caso de la capa de
protección positiva—o a permanecer—en
el caso de la capa de protección negativa.
La sobreexposición y la subexposición
pueden comprometer la calidad final del
grabado por haber removido o dejado demasiado material, afectando así negativamente
la funcionalidad del dispositivo.
El tercer proceso del micromaquinado es el
grabado, o la remoción selectiva del material
en patrones definidos por la capa fotorresistente. Este proceso puede llevarse a cabo
utilizando uno de dos métodos generales,
grabado húmedo o grabado seco. La elección
depende de numerosos factores, incluyendo el
material que se está grabando, el material utilizado para las máscaras, el tipo de formas grabadas requeridas en el diseño MEMS y el costo
admisible del proceso de micromaquinado.
> Perfiles de grabado isotrópico versus anisotrópico en procesos de grabado húmedo versus
seco. Durante el grabado húmedo, el proceso
de corte puede ser deficiente, lo que no es conveniente en ciertos dispositivos MEMS porque
puede afectar el desempeño del dispositivo y
la integridad estructural. Cuando se desea obtener paredes verticales, especialmente en estructuras con dimensiones laterales pequeñas,
son preferibles las técnicas de grabado seco.
leran luego hacia el material del sustrato.
En la superficie del sustrato se produce una
reacción química, que asiste al proceso de
bombardeo físico en el grabado efectivo del
material. Los fabricantes deben equilibrar las
interacciones físicas y químicas—las reacciones químicas para el grabado isotrópico y el
bombardeo físico para el grabado anisotrópico—para producir la superficie deseada, por
ejemplo una pared lateral vertical (arriba).
Una versión más complicada de la técnica
RIE, conocida como grabado iónico reactivo
profundo (DRIE), fue desarrollada a mediados
de la década de 1990 para grabar en forma
rápida profundamente—más de 500 µm
[0.02 pulgada]—en el sustrato de silicio.
El proceso RIE, sin el componente físico
del grabado, se conoce como grabado por
plasma. Además, un método más simple de
grabado seco denominado grabado en fase de
vapor, utiliza los gases de una cámara de
reacción para disolver el SiO2 con ácido
fluorhídrico [HF], y el silicio con difluoruro
de xenón [XeF2]. En general, el grabado seco
es más caro que el grabado húmedo pero
otorga más precisión a los fabricantes de
dispositivos MEMS en cuanto a la creación de
diseños MEMS cada vez más sofisticados.
65
> Salas blancas para la fabricación de sensores MEMS. Las salas blancas
controlan los niveles de contaminantes ambientales, tales como polvo, microbios suspendidos en el aire, partículas de aerosoles y vapores químicos, que
pueden crear problemas durante la fabricación de los dispositivos MEMS.
Las salas blancas emplean sistemas extensivos y sofisticados de filtrado,
circulación de aire y bloqueo neumático, y aseguran el cumplimiento de
procedimientos meticulosos por parte del personal, a fin de mantener los
niveles de contaminación lo más bajo que sea posible.
> Escalas en expansión. La fotografía muestra una oblea terminada
que contiene 800 dispositivos, si bien 50 de estos chips corresponden a estructuras de prueba no funcionales. Los chips de esta oblea
serán parte integrante de los sensores de presión MEMS diseñados por Schlumberger y el Instituto de Tecnología de California
(Caltech). El diámetro de la oblea es de 100 mm [4 pulgadas], y
cada chip de sensor es de 2 mm por 2 mm [0.08 pulgada por
0.08 pulgada].
66
Estos pasos pueden reiterarse para crear estructuras más complicadas. A veces, los pasos
correspondientes a la depositación o el grabado
se omiten y se utiliza una capa fotorresistente—
normalmente una emulsión fotosensible o una
capa de polímero—como capa de sacrificio para
crear estructuras suspendidas o como patrón
para producir selectivamente material nuevo.
Un cuarto paso posible en la fabricación de los
sistemas MEMS es la unión de dos o más obleas.
Todos estos procesos deben llevarse a cabo en el
más limpio de los ambientes porque, en esta
escala, hasta las partículas más pequeñas pueden producir imperfecciones que incidirán en el
desempeño del dispositivo (izquierda, arriba).
En la mayoría de los casos, se fabrican numerosos dispositivos sobre una sola oblea. Esta oblea
se corta luego con precisión, produciendo un
lote de dispositivos MEMS (izquierda, abajo).
En Schlumberger, la mayor parte del proceso
de diseño y prueba de los dispositivos MEMS
tiene lugar en el Centro de Investigaciones Doll
de Schlumberger (SDR) en Cambridge, Massachusetts, y en el Centro de Tecnología MEMS
(MEMS TC) de Schlumberger en Elancourt,
Francia. La fabricación de los prototipos de los
dispositivos MEMS de Schlumberger se ha llevado a cabo en asociación con el Instituto de
Tecnología de California (Caltech), en EUA, y
con la École Supérieure d’Ingénieurs en Electronique et Electrotechnique (ESIEE), en París; se
han efectuado varias carreras de fabricación en
la fundición Olympus, situada en Nagano, Japón.
Microtecnologías en el campo
Dadas las dimensiones internas restringidas de
un pozo, parecería que los diminutos dispositivos
MEMS y microfluídicos hallarán un hábitat natural en las diversas tecnologías de la industria de
E&P. Estos dispositivos utilizan menos espacio,
menos fluidos y menos energía, lo que los hace
ideales para ambientes de fondo de pozo. En
principio, resulta atractivo imaginar una herramienta en la que se instalan muchos sensores
MEMS pequeños, cada uno de los cuales mide
una propiedad diferente.
En la mayoría de los casos, después de la
fabricación, los dispositivos MEMS y los dispositivos microfluídicos abandonan la fundición
como chips frágiles. El embalaje de los dispositivos MEMS es un elemento extremadamente
importante en relación a la supervivencia y el
desempeño de un dispositivo. Esto resulta particularmente pertinente en los ambientes
desafiantes de los campos petroleros.
Oilfield Review
Verano de 2007
0.65
Voltaje de salida, V
Diseñado y probado en los centros SDR, el de
Tecnología MEMS de Schlumberger en Elancourt, Francia, y el de Tecnología Kabushiki
Kaisha de Schlumberger (SKK) en Sagamihara,
Kanagawa, Japón, el embalaje especial de los
dispositivos MEMS responde a varias finalidades. El embalaje permite que el dispositivo sea
adosado mecánicamente al sistema para el cual
fue concebido, y además provee la conexión
eléctrica entre el dispositivo MEMS y los componentes electrónicos del sistema. Además, el
embalaje aísla las conexiones eléctricas de los
dispositivos MEMS y los protege de la corrosión,
la erosión, los golpes y la vibración. A menudo, el
embalaje absorbe el esfuerzo causado por las
altas presiones de operación, permitiendo que
los chips de los dispositivos MEMS y microfluídicos operen en una configuración libre de
esfuerzos, con presiones balanceadas en la cara
externa e interna del chip.
La medición de la presión constituye un área
en la que las tecnologías MEMS ya están produciendo un impacto en el campo petrolero.
Schlumberger, en asociación con Caltech, ha
desarrollado sensores de presión MEMS que
ahora poseen una precisión comparable con la
de los macrosensores y mantienen una respuesta
lineal de hasta 25,000 lpc [172.37 MPa] y estabilidades de menos de 2 lpc [13.8 kPa] por mes, a
una temperatura de 150°C [302°F]. El diseño del
sensor de presión se basa en diafragmas de
nitruro de silicio de bajo esfuerzo, con unos pocos
micrómetros de espesor, que utilizan piezorresistores de polisilicio y los principios del puente de
Wheatstone para medir los cambios en la resistencia inducidos por la deformación (arriba, a la
derecha). Las ecuaciones de respuesta caracterizan el voltaje de salida del dispositivo para
permitir la conversión a un valor de presión
absoluta.
En el embalaje de los sensores de presión
MEMS se utilizan geles y epoxias para proveer
protección a un dispositivo que posee una duración funcional corta a intermedia. Las
aplicaciones para duraciones funcionales largas
requieren embalajes más robustos. Las membranas o fuelles, llenos con pequeñas cantidades de
aceites compresibles no corrosivos, ayudan a aislar los sensores de la presencia de adyacencias
rigurosas. No obstante, este tipo de embalaje
puede afectar la respuesta del dispositivo y limitar la exactitud, precisión, repetibilidad y
dimensiones de los medidores. Así y todo, el
0.60
0.55
0.50
0.45
0
1,000
2,000
3,000
4,000
Presión, lpc
100 µm
> Chip de un manómetro de presión de los centros de Investigaciones Doll de Schlumberger (SDR) y
Caltech, con interconexiones de aluminio y zonas de fijación de hilos de conexión. El chip es un cuadrado de 2 mm [0.08 pulgada] de lado (extremo superior a la izquierda). Una vista ampliada de los elementos sensores (extremo inferior a la izquierda) muestra los diafragmas de nitruro de silicio (verde),
diseñados para prevenir la rotura en caso de sobrepresión, los resistores de polisilicio (azul) y las interconexiones de aluminio (blanco). El dispositivo MEMS se embala para tolerar el ambiente riguroso
de los sistemas de bombeo de fondo de pozo y es utilizado para el monitoreo de las bombas con los
servicios de levantamiento ESP Axia y Axia-XT de Schlumberger (extremo superior a la derecha). A
modo de referencia, se muestra una moneda de un Euro. Las pruebas han demostrado que este sensor
de presión responde linealmente (extremo inferior a la derecha).
empleo de fuelles ha demostrado ser la forma
más efectiva de proteger un sensor de presión de
la corrosión y la erosión.
La medición de la presión, junto con muchas
otras mediciones, está afectada por la temperatura, lo que debe tenerse en cuenta a la hora de
desarrollar los algoritmos para la respuesta del
dispositivo. Afortunadamente, la temperatura
puede obtenerse, prácticamente en cualquier
sensor MEMS, a través de la medición de la
resistencia en los metales o en los piezorresistores no metálicos, tales como los de polisilicio. La
resistencia de un material dado cambia con la
temperatura, de acuerdo con su coeficiente de
temperatura, que es una constante conocida.
Una de las aplicaciones de los sensores de presión MEMS se relaciona con las bombas eléctricas
sumergibles (ESP). Estos sensores constituyen
una parte vital del servicio de levantamiento de
las bombas ESP Axia de Schlumberger, que incluye los servicios de monitoreo, supervisión y diagnóstico en tiempo real.
Además de la medición de la presión, la
tendencia hacia lo pequeño probablemente produzca su mayor impacto en la medición de las
propiedades de los fluidos; específicamente, su
densidad y viscosidad. Un diseño prometedor,
denominado DV MEMS, utiliza una placa vibratoria delgada, hecha con la capa superior de una
oblea de silicio sobre aislante (SOI) adherida
por fusión.12 El accionamiento de la placa vibratoria se logra haciendo pasar una corriente
oscilatoria a través de una bobina montada en la
plaqueta mientras el sensor es sometido a un
campo magnético. La fuerza impartida es directamente proporcional al producto del largo del
12. Vancauwenberghe O, Goodwin ARH, Donzier E,
Manrique M y Marty F: “Resonant MEMS Microsensor
for the Measurement of Fluid Density and Viscosity,”
presentado en Eurosensors XVII, Guimaraes, Portugal,
21 al 24 de septiembre de 2003.
67
conductor perpendicular al campo magnético, la
resistencia del campo magnético, y la intensidad
de la corriente (derecha).
Como sucede con otras tecnologías de elementos vibratorios, el sensor DV MEMS mide la
frecuencia de resonancia y el factor de calidad
utilizando medidores de deformación; en este
caso, piezorresistores configurados en puentes
de Wheatstone, cerca del borde engrapado de la
placa. Los fluidos que rodean la placa reducen la
frecuencia de resonancia y el factor de calidad
respecto de los valores de referencia registrados
en un vacío. La interacción entre la placa vibratoria y los fluidos permite que el usuario
determine las densidades y viscosidades de los
fluidos. Más específicamente, la frecuencia se
reduce al aumentar la densidad del fluido debido
a la masa de fluido adicional presente sobre la
placa; a medida que aumenta la viscosidad del
fluido, se reduce el factor de calidad porque la
vibración de la placa se amortigua cada vez más.
El dispositivo DV MEMS fue calibrado por primera vez de acuerdo con los valores publicados
aceptados de densidad y viscosidad del metilbenceno—también conocido como tolueno—a una
temperatura dada, y luego se utilizó para determinar la densidad y viscosidad del octano a
temperaturas de entre 323 y 423K [122 y 302°F].
Las mediciones de la densidad del octano difirieron de las densidades obtenidas a partir de una
correlación aceptada de valores publicados en
menos de (±) 0.5%.13 Las viscosidades del octano
determinadas con el dispositivo DV MEMS también se compararon con las disponibles en la
literatura.14 A temperaturas inferiores a 423K, los
resultados de viscosidad difirieron de los valores
publicados en la literatura en sólo (±) 5%.
A 423K, las mediciones de viscosidad del octano
obtenidas con el dispositivo DV MEMS difirieron
en menos de (±) 13%. No obstante, las viscosidades reportadas a partir de las mediciones
obtenidas con un viscosímetro de cable vibratorio—un método de laboratorio común utilizado
para medir la viscosidad—concuerdan, dentro
del margen de incertidumbre expandida esti-
mada de los resultados DV MEMS, o con una precisión de aproximadamente (±) 6%.
El dispositivo DV MEMS fue probado exhaustivamente en los centros SDR, el de Tecnología
de Productos de Sugar Land (SPC) y el de Fluidos de Yacimientos de Schlumberger (SRFC) en
Edmonton, Alberta, Canadá. El objetivo de las
tareas de investigación recientes sobre el sensor
DV MEMS ha sido el desarrollo de un modelo
global para una amplia gama de densidades y
viscosidades de fluidos, adecuadas para aplicaciones de campos petroleros.15 No obstante,
siempre será necesario un proceso de calibración
y, aún así, a menudo es difícil extraer las propie-
dades volumétricas de los fluidos en proceso de
prueba. Por ejemplo, en esta escala, desarrollar
una representación matemática de la interacción
de un cuerpo sólido en movimiento con un fluido
compresible es extremadamente desafiante.
Otra serie de microtecnologías que investigan
las propiedades de los fluidos son los dispositivos
microfluídicos. Las técnicas de fabricación por
litografía de bajo relieve y moldeo plástico, que
se han vuelto cada vez más populares en la fabricación de los dispositivos microfluídicos, son
apropiadas para ambientes de temperaturas y
presiones moderadas y cuando se trata de probar
aguas relativamente limpias. En consecuencia,
13. Span R y Wagner W: “Equations of State for Technical
Applications. II. Results for Nonpolar Fluids,”
International Journal of Thermophysics 24, no. 1
(Enero de 2003): 41–109.
14. Huber ML, Laesecke A y Xiang HW: “Viscosity
Correlations for Minor Constituent Fluids in Natural Gas:
n-Octane, n-Nonane and n-Decane,” Fluid Phase
Equilibria 224, no. 2 (2004): 263–270.
15. Goodwin ARH, Donzier EP, Vancauwenberghe O, Fitt AD,
Ronaldson KA, Wakeham WA, Manrique de Lara M,
Marty F y Mercier B: “A Vibrating Edge Supported Plate,
Fabricated by the Methods of Micro Electro Mechanical
System for the Simultaneous Measurement of Density
and Viscosity: Results for Methylbenzene and Octane at
Temperatures between (323 and 423) K and Pressures in
the Range (0.1 to 68) MPa,” Journal of Chemical &
Engineering Data 51, no.1 (2006): 190–208.
16. Betancourt S, Fujisawa G, Mullins OC, Carnegie A, Dong
C, Kurkjian A, Eriksen KO, Haggag M, Jaramillo AR y
Terabayashi H: “Análisis de hidrocarburos en el pozo,”
Oilfield Review 15, no. 3 (Invierno de 2003/2004): 60–69.
Andrews RJ, Beck G, Castelijns K, Chen A, Cribbs ME,
Fadnes FH, Irvine-Fortescue J, Williams S, Jamaluddin A,
Kurkjian A, Sass B, Mullins OC, Rylander E y Van Dusen
A: “Cuantificación de la contaminación utilizando el
color del crudo y del condensado,” Oilfield Review 13,
no. 3 (Invierno de 2001/2002): 24–43.
17. Li M, Tang HX y Roukes ML: “Ultra-Sensitive NEMSBased Cantilevers for Sensing, Scanned Probe and Very
High-frequency Applications,” Nature Nanotechnology 2
(Febrero de 2007): 114–120.
El recorrido libre medio de las moléculas es la distancia
promedio de desplazamiento de las moléculas entre
colisiones con otras moléculas.
68
A
E
C
B
D
> Una placa vibratoria para medir la densidad y viscosidad del fluido. La fotografía de la superficie superior del dispositivo DV MEMS muestra la bobina
de aluminio A, el puente de Wheatstone B, el resistor de silicio policristalino
dopado con boro C, que funciona como termómetro, y las zonas de fijación
de hilos de conexión D. La placa posee un espesor de 20 µm [0.0008 pulgada],
a la izquierda de la línea de guiones E. A la derecha de la línea de guiones,
el sensor exhibe un espesor adicional de 350 µm [0.014 pulgada] de silicio
monocristalino. Las fotografías del extremo inferior muestran un prototipo de
embalaje de bajo costo del Centro de Tecnología MEMS de Schlumberger
en Elancourt, Francia, incluyendo las fijaciones de hilos de conexión intrincados (extremo inferior, a la izquierda). Existe una versión más robustecida
de SKK (extremo inferior, a la derecha), adaptada a partir de un diseño de
Kyocera, que puede tolerar temperaturas y presiones extremas, además del
manipuleo de rutina. La placa está centrada en la abertura circular a través
de la cual fluye el líquido.
Oilfield Review
esta tecnología ha sido utilizada en Schlumberger
Water Services y se encuentra en los instrumentos Diver para el monitoreo a largo plazo de los
parámetros de calidad del agua subterránea y del
agua superficial.
A modo de ejemplo, el método de medición
del valor del pH utilizado en el Analizador de
Fluidos Vivos LFA para el Probador Modular de la
Dinámica de la Formación MDT de Schlumberger
se miniaturizó y automatizó para aplicaciones en
el mercado del agua.16 Esto se tradujo en un chip
de polímero de 1 por 3 pulgadas, que incluye una
entrada de agua, un depósito de tintura, resistores de fluidos, un mezclador pasivo, una zona de
interrogación óptica, una bomba y un filtro de
salida; todos conectados mediante canales
microfluídicos. No existe ninguna conexión vulnerable ya que no se utiliza ningún tubo y todo
se encuentra en el chip o soldado al chip
mediante un rayo láser, como es el caso de la
bomba (derecha).
El sistema utiliza una muestra de 50-μL por
medición, que es suficiente para reponer cinco
veces el volumen de los canales del chip, y un
volumen de reactivo de 1-μL para medir el pH
con un método de detección espectrométrico.
Todo el sistema está integrado en el instrumento
Diver, incluidas las funciones de manipuleo y
almacenamiento de datos para seis meses de
operación independiente, utilizando solamente
el equivalente a 21⁄2 baterías AA para obtener
600 mediciones. Los volúmenes pequeños utilizados
por los dispositivos microfluídicos constituyeron
una ventaja importante en este desarrollo.
Schlumberger también se ha involucrado en
el desarrollo de dispositivos microfluídicos para la
ejecución de diversas funciones de manipulación
y control de fluidos, tales como la separación de
fases y el monitoreo del flujo dentro de los canales microfluídicos. Si bien cada uno de estos
dispositivos provee una función altamente específica, cuando se combinan varios dispositivos, esos
dispositivos se convierten en las unidades preconfiguradas y reutilizables de una fábrica de
sistemas fluídicos; el “laboratorio en un chip.”
Un mundo pequeño, una gran promesa
A lo largo de la historia, la práctica de la integración condujo a ahorros significativos de costos y a
un mejoramiento de la eficiencia y el desempeño.
El desarrollo de los sistemas MEMS en la industria del petróleo y el gas podría conducir a la
integración de sensores, accionadores y funcionalidades computacionales en un solo chip.
Actualmente, no existe ninguna otra tecnología
que integre todas estas características en forma
Verano de 2007
> Dispositivo microfluídico integrado para el análisis de agua limpia.
Los instrumentos Diver de Schlumberger, para el monitoreo a largo
plazo de los parámetros de cantidad y calidad del agua subterránea y del agua superficial, se utilizan para medir el valor del pH de
muestras muy pequeñas de agua relativamente limpia. El dispositivo contiene una entrada de agua, un depósito de tintura, resistores de fluidos, un mezclador pasivo, una zona de interrogación
óptica, una bomba y un filtro de salida; todos conectados mediante canales microfluídicos, e incluye funciones de manipuleo de
datos y almacenamiento de datos para seis meses de operación
independiente. A modo de referencia, se muestra una moneda
de US$ 0.25.
fluida para los sistemas en sitio. En el campo
petrolero, un dispositivo pequeño que monitoree,
interprete y controle su entorno en forma remota
podría producir un impacto significativo en la
industria de E&P.
Las fuerzas ejercidas entre las moléculas
dominan los procesos químicos y, si se comprendieran, constituirían una forma sólida de predecir
las propiedades fisicoquímicas de los hidrocarburos que se encuentran en los yacimientos. Gran
parte de la teoría que se requiere para pasar de la
interacción molecular microscópica a las propiedades volumétricas macroscópicas de los fluidos
se conoce a partir de los métodos de mecánica
estadística. No obstante, para las moléculas no
esféricas complejas, las relaciones que unen el
micro mundo con el macro mundo no son bien
conocidas. Los avances registrados recientemente en los dispositivos de los sistemas MEMS
y de los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS)
pueden cambiar esta situación.
Los dispositivos MEMS y NEMS ofrecen la
oportunidad para desarrollar métodos experimentales que permitirían el cuestionamiento de las
fuerzas ejercidas entre las moléculas. Estas mediciones podrían utilizarse luego como pauta para
definir el puente de unión entre el mundo microscópico y el mundo macroscópico. Actualmente, se
están utilizando placas en voladizo, similares al
dispositivo DV MEMS de Schlumberger, pero con
dimensiones aproximadamente 1,000 veces más
pequeñas para estudiar las fuerzas adhesivas
entre los polímeros y los metales. La utilización
de los dispositivos MEMS y NEMS en la ciencia
fundamental ha comenzado.
Por ejemplo, se ha desarrollado un sensor
apoyado en voladizo con transductores de desplazamiento electrónico integrado, de dimensiones
nanométricas, que se aproximan al recorrido
libre medio de las moléculas a presión
ambiente.17 Esto ha posibilitado la obtención de
mediciones de absorción con una resolución de
masa inferior a 1 attogramo, o 10-18 g.
Los científicos de Schlumberger y las universidades que operan en asociación están trabajando
para abordar los obstáculos que se presentan en
los ambientes de los campos petroleros cuando se
utilizan dispositivos MEMS y dispositivos microfluídicos. La expansión de las microtecnologías
en diversas áreas de E&P continúa a pasos acelerados. Por ejemplo, se están investigando
microtecnologías para aplicaciones prácticas en
monitoreo de yacimientos, mediciones LWD,
MWD y mediciones obtenidas con herramientas
operadas con cable, terminaciones inteligentes y
adquisición de datos sísmicos. En el mundo del
petróleo y el gas, no se necesita un microscopio
para ver que el pequeño mundo de los dispositivos MEMS y los dispositivos microfluídicos se está
expandiendo.
—MG
69