Sensores Direccionales MEMS

🎧 TEMPORADA 1 | EPISODIO 4: SENSORES DIRECCIONALES MEMS

Ken:
Hola, soy Ken Miller.

David:
Y yo soy David Erdos.

Ken:
Bienvenidos al Podcast de Nuevas Tecnologías de Erdos Miller: donde pasamos nuestro tiempo no productivo hablando de todo lo relacionado con tecnología de perforación. Este podcast es para cualquiera que esté interesado en aprender más sobre la tecnología que nos ayuda a perforar más lejos y alcanzar más recursos cada día.

Hoy hablaremos sobre sensores MEMS. Pero para comenzar, voy a hacer una pregunta realmente tonta. David, ¿qué es un sensor?

David:
Es una pregunta muy básica. Es algo que muchas veces damos por sentado, al menos yo lo hago porque trabajo con ellos todo el tiempo. Pero un sensor se define como un dispositivo que mide o detecta una propiedad física. Puede ser un sensor de temperatura que usas para revisar la cocción de tu carne, o el acelerómetro en tu iPhone, o una infinidad de cosas.

Ken:
¿Entonces algo que pueda detectar físicamente algo?

David:
Sí. Simplemente un dispositivo que mide una propiedad física.

Ken:
Ok. Bueno, como... ya sabes, tu sentido del olfato, tu gusto, la vista...

David:
Exactamente.

Ken:
Quiero decir, todos esos son sensores biológicos, ¿cierto?

David:
Correcto. Tus ojos son sensores de visión, tu lengua es un sensor de gusto, tu piel es un sensor de temperatura, y así sucesivamente.

Ken:
Y entonces tenemos sensores similares, diseñados para aplicaciones específicas, integrados en las máquinas que nos rodean, ¿verdad?

David:
Exactamente.

Ken:
Ok, y creo que tengo un dato curioso aquí. La etimología de la palabra “sensor” —una palabra elegante— en realidad viene de “sensory” y “motor” combinados. Así que “sensorial/motor”, abreviado como “sensor”. No estoy seguro de si eso es exactamente correcto, pero lo encontré en internet y me pareció interesante.

David:
Interesante.

Ken:
Así que lo incluí. Entonces, los MEMS son una tecnología nueva y popular. Me gustaría retroceder y empezar hablando sobre la historia de los levantamientos de pozos. Es una locura, ya casi estamos en los 2020, esto es 2018. Volvamos 100 años atrás. Entonces David, ¿qué tipo de sensor usábamos en los años 20 para medir un levantamiento de pozo? Y pregunto por los años 20 porque fue la primera década en la que realmente comenzamos a medir pozos en la industria.

David:
Honestamente no tengo idea. Supongo que algo mecánico, porque no había mucha electrónica en esa época, y no creo que el primer transistor se hubiera inventado, y tampoco sé si ya existían los tubos de vacío.

Ken:
Es una tecnología realmente genial y me encanta ver inventos del pasado porque siento que hoy en día estamos malacostumbrados y ya no tenemos que pensar demasiado porque simplemente puedo ir y comprar sensores que han sido desarrollados por personas brillantes de todo el mundo e integrarlos en mis diseños. Pero los primeros sensores que se inventaron en los años 20 se llamaban levantamientos con botella de ácido, ¿cierto?

Ken:
Entonces literalmente es una botella de vidrio, llena de ácido, ¿cierto? Así que necesitamos un mecanismo de tiempo y necesitamos registrar su inclinación, ¿no? Porque queremos conocer la inclinación una vez que bajamos el instrumento al fondo del pozo.

David:
Correcto.

Ken:
Entonces lo bajabas con una línea delgada o algo así. Y el ácido iba desgastando el menisco del vidrio, ¿cierto? Así que simplemente se quedaba ahí, en el ángulo que tenía el pozo, porque la gravedad hacía que el fluido cambiara de posición dentro de la botella. Y el ácido corroía el vidrio dejando un pequeño anillo. Luego lo subías y mirabas ese anillo, y esa era la inclinación de tu pozo.

David:
Guau, y yo pensaba que las herramientas de hoy eran lentas. ¿Te imaginas cuánto tiempo tomaba eso? Horas.

Ken:
Bueno, no había telemetría, ¿verdad? Sí. Eran pozos más superficiales en aquel entonces, así que tal vez no era tan malo como pensamos, ¿no?

David:
Eso es cierto. Es increíble lo que uno inventa cuando es lo único con lo que se cuenta. Supongo que aplica el dicho: “La necesidad es la madre de la invención.”

Ken:
Exactamente.

David:
Entonces, ¿qué usaron después de eso?

Ken:
Después de la botella de ácido, que se usaba en los primeros años 20, en los años 20 medios surgieron otras herramientas. Y esas también eran bastante ingeniosas. Consistían en un plomada—que si no sabes qué es, imagina una pequeña esfera o algo colgado de una cuerda. Siempre va a colgar en la dirección de la gravedad, ¿cierto?

David:
Correcto.

Ken:
Entonces usualmente tenían una punta afilada o algo así, y debajo de ellas se colocaba una hoja de papel o cera. A veces se activaban con un resorte desde arriba o desde abajo. Lo que hacías era programar un temporizador y calcular cuánto tiempo te iba a tomar bajar el instrumento dentro del pozo. Tenías que ser cuidadoso, no querías esperar demasiado pero tampoco que se activara antes de tiempo. Así que lo bajabas hasta el fondo, el temporizador se agotaba, el resorte se activaba y dejaba una pequeña marca en el papel o un pequeño hundimiento en la cera. Las versiones posteriores incluso usaban un pequeño punzón de metal para marcar una placa metálica.

Y esa fue la siguiente evolución de la tecnología. Ya no esperabas a que el ácido grabara el vidrio, solo un “¡ding!” rápido, y ya está. Tomabas la medición, la subías y la revisabas. Y se volvió bastante famosa.

Y luego vino otro método: los sistemas magnéticos de “single-shot”. Tal vez ese término no se empezó a usar hasta los 60 o 70, pero esta también me parece una idea extremadamente ingeniosa.

Tomas una brújula, ¿cierto? Piensa en una brújula que usarías en los Boy Scouts o algo así. Es un dispositivo manual, tienes la brújula flotando dentro de un fluido.

David:
Solo una aguja magnetizada.

Ken:
Sí, exactamente. Y puede flotar libremente ahí dentro, se alinea sola y apunta al norte, ¿verdad? Funciona, así que ¿por qué no podría funcionar en un pozo? De nuevo, el factor tiempo es crítico aquí. Necesitamos poder tomar una “foto” cuando el instrumento esté en la ubicación deseada, y luego sacarlo y leerlo.

Entonces alguien tuvo esta idea única de usar un gel que se endurecía con el calor, dentro de un matraz para protegerlo de la temperatura. El gel iba líquido durante el descenso. Esperabas a que se endureciera, lo subías y entonces podías ver hacia dónde apuntaba la brújula.

David:
¿El gel se endurecía con la temperatura?

Ken:
Sí, creo que así era. Yo no estuve ahí, pero por lo que he leído, así funcionaba.

David:
Entiendo.

Ken:
Ahora avancemos rápidamente de los años 20 a los 70, 50 años. ¿Qué crees que usábamos en esa década?

David:
¿Herramientas de orientación magnética?

Ken:
Correcto, pero ¿qué es una herramienta de orientación magnética?

David:
Bueno, una herramienta de orientación supongo que es una herramienta que tiene sensores que miden tanto el campo magnético de la Tierra como la orientación usando acelerómetros para medir el vector de gravedad. Así que las herramientas que se introdujeron por esa época usaban lo que se llama un magnetómetro de compuerta de flujo (fluxgate magnetometer) y acelerómetros de cuarzo flexibles para medir la inclinación.

Ken:
Ok. ¿Qué es un magnetómetro de compuerta de flujo (fluxgate magnetometer) y un acelerómetro de cuarzo?

David:
Un magnetómetro de compuerta de flujo es solo un tipo de magnetómetro, hay muchos tipos diferentes de magnetómetros.

Ken:
Pero un magnetómetro es como una brújula sofisticada, ¿no?

David:
Bueno, es un poco diferente a una brújula porque una brújula solo te dice en qué dirección apunta el vector magnético, pero un magnetómetro también te dice la magnitud del vector. O sea, te dice cuán fuerte es el campo magnético, no solo la dirección en la que está.

Ken:
¿Entonces una brújula elegante?

David:
Claro.

Ken:
Ok.

David:
Básicamente para eso lo usan, supongo. Así que puedes pensar en él como una brújula sofisticada porque en fondo de pozo realmente no importa tanto la fuerza del campo, sino la dirección, para saber hacia dónde estás apuntando.

Ken:
Ok.

David:
Entonces, un magnetómetro de compuerta de flujo tiene dos bobinas enrolladas alrededor de un núcleo. Una tiene una corriente fluyendo a través de ella y la otra la mide. Es básicamente como un inductor sofisticado que mide cómo interactúa el campo magnético de la Tierra (o cualquier campo) con las bobinas.

Ken:
Ok, ¿y qué es un acelerómetro de cuarzo?

David:
Bueno, un acelerómetro en su forma básica es simplemente algo que mide aceleración. En este caso, en herramientas de orientación, los acelerómetros se usan para medir el campo gravitacional de la Tierra, y un acelerómetro de cuarzo en particular tiene un pequeño brazo con un peso en la punta y ese brazo está hecho de cuarzo, igual que toda la estructura. A medida que la gravedad tira hacia abajo del peso, puedes medir cuánto se deforma el cuarzo. Y eso te da la aceleración.

Ken:
¿Entonces es un pequeño pedazo de cuarzo dentro de una carcasa con un circuito eléctrico, que nos dice cuánta aceleración está ocurriendo, lo que luego usamos para medir la gravedad?

David:
Sí. Básicamente, casi todos los acelerómetros son un resorte y una masa, y lo que se mide es cuánto se ha desplazado esa masa, cuánto se ha movido.

Ken:
Ok. Entonces estamos en los 70’s, usamos magnetómetros y acelerómetros para construir herramientas que pueden medir nuestra inclinación, nuestro azimut, nuestro campo gravitacional total, nuestro campo magnético total, ya podemos medir el ángulo de buzamiento. Eso es una herramienta de orientación magnética. Un poco más avanzada que lo que usábamos en los años 20.

David:
Correcto, y ahora tenemos electrónica y podemos enviar datos a la superficie de forma inalámbrica a través del lodo. Supongo que principalmente a través del lodo. Ya no es necesario sacar la herramienta del pozo para obtener los datos.

Ken:
¿Y de dónde vienen estos sensores? ¿Fueron desarrollados en la industria petrolera?

David:
Definitivamente no fueron inventados por la industria petrolera. No estoy del todo seguro de su origen exacto, pero muchos de ellos fueron desarrollados alrededor de los años 60 y 70 para aplicaciones aeroespaciales, porque los aviones, misiles y cohetes necesitan acelerómetros y magnetómetros muy precisos. Así que creo que provienen más bien de esa área, de ese campo.

Ken:
¿Me estás diciendo que usamos el mismo tipo de sensores en cohetes... supongo que en misiles de guerra?

David:
Ambos.

Ken:
¿Que usamos para hacer levantamientos de pozos?

David:
Sí, de hecho los acelerómetros de cuarzo son usados en misiles balísticos intercontinentales, en cohetes de la NASA, en los de SpaceX, y también para la navegación de barcos y cualquier otra cosa que necesite una medición de aceleración extremadamente precisa.

Ken:
Tenemos que tener cuidado con a dónde se envían esos sensores, ¿no?

David:
Sí, se complica un poco con todo el papeleo. Hay muchas regulaciones sobre si se pueden exportar estas herramientas MWD a ciertos países, porque contienen estos acelerómetros de grado militar, así que el gobierno trata de tener un control estricto sobre ellos.

Ken:
Sí, totalmente lo imagino. Entonces, en los 70’s, ¿cómo obteníamos esas mediciones en superficie?

David:
En los 70’s había herramientas de tipo “single-shot” (disparo único) y “multi-shot” (múltiples disparos). La herramienta de disparo único tomaba las mediciones en el fondo del pozo y las almacenaba en memoria, y luego tenías que sacar la herramienta para descargar los datos. También existían las herramientas “multi-shot”, que tomaban varias mediciones a lo largo del camino, y luego podías sacar la herramienta y descargar esos datos de la memoria para saber en qué punto del pozo se tomaron esas mediciones.

David:
Y luego, en los años 80, apareció el uso de herramientas wireline, donde literalmente podías bajar una herramienta con un cable, enviarle energía a través de ese cable y recibir datos de vuelta, lo cual, por supuesto, ahorraba mucho tiempo en comparación con tener que sacar la herramienta del pozo para obtener la información una vez en superficie.

Ken:
¿Y cuándo fue que finalmente pudimos empezar a recibir esta información sin cables y en tiempo real?

David:
No lo sé.

Ken:
¡Dave! ¡Esa era nuestra pregunta de trivia!

David:
¿Fue en los 80?

Ken:
Exacto, es la pregunta de trivia del episodio anterior. Sí, fue en los 80. En esa década fue cuando realmente despegó el MWD, y la gente dijo: “Oye, esto del MWD es mucho más eficiente que estas herramientas single-shot, multi-shot o wireline.”

David:
Ok.

Ken:
Entonces, en los 80 finalmente no teníamos que bajar un instrumento, tomar las mediciones, sacarlo y revisarlas. Ahora, por fin, la herramienta podía tomar la medición allá abajo y, prácticamente de inmediato, enviarnos algo que pudiéramos ver.

Creo que ya estamos como a la mitad del episodio. Así que vamos con la trivia. Tengo dos preguntas para ti, Dave, ya que tú me hiciste muchas en el episodio pasado.

David:
Está bien.

Ken:
Ok, esta vez escogí unas difíciles para ti. ¿Listo?

David:
Bueno, espero que no sean demasiado difíciles.

Ken:
Ok, ¿qué material crees que usaban extensamente las plataformas de perforación en China a principios de 1900?

David:
¡Pfft!

Ken:
Piénsalo, ¿qué habría a la mano?

David:
¿Bambú?

Ken:
¡Correcto!

David:
¿Mucho bambú?

Ken:
Exactamente. No, construían plataformas enteras de bambú. Hacían enormes bobinas de cableado con bambú. Se usaba extensamente en algunas de las primeras plataformas jamás construidas. Y creo que incluso lograron fabricar unas brocas tipo cola de pez con bambú. Sería brillante de ver. Ojalá tuviera una máquina del tiempo, sería muy divertido.

David:
Guau.

Ken:
Y tampoco piensas en China como uno de los países que tuvo las tecnologías de perforación más tempranas, ¿no?

David:
No, no lo sabía. Eso es interesante. Me encantaría ver una plataforma petrolera hecha de bambú.

Ken:
Sí, te ganas un punto por esa. Ahora, siguiente pregunta: ¿cuál es el objeto artificial más grande que ha sido movido exitosamente por el ser humano sobre la Tierra? No el más grande que hemos construido —las pirámides son enormes, hay muchas cosas grandes— pero el objeto más grande que haya sido movido por humanos.

David:
Esos súper petroleros son enormes. Cruzan el océano, son gigantescos. Esa sería mi respuesta.

Ken:
Ok, es la plataforma de gas natural Troll A. Fue construida en Noruega. Es el objeto artificial más grande que ha sido movido por el hombre. Hay una imagen interesante en internet si la buscas. Es una comparación con la Torre Eiffel y la plataforma la sobrepasa totalmente.

David:
Guau.

Ken:
Es una plataforma de gas natural en el mar.

David:
Bueno, estuve cerca. Los súper petroleros al menos están relacionados con lo marítimo.

Ken:
Sí, es realmente impresionante. Ok, entonces ¿qué demonios es MEMS? No hemos hablado de eso en todo el episodio. Es el título del episodio. ¿Qué significa siquiera MEMS? Es un acrónimo curioso.

David:
MEMS, como se pronuncia comúnmente, es un acrónimo de M-E-M-S, y significa MicroElectroMechanical Systems, o en español, Sistemas MicroElectromecánicos.

Ken:
Ok, eso suena complicado. A diferencia de la botella de ácido, no me dice realmente qué es.

David:
Bueno, un poco sí. Micro: pequeño; electromecánico: mecánico y electrónico.

Ken:
¿De qué tan pequeño estamos hablando? ¿Del tamaño de una pelota de golf? ¿Del tamaño de una canica?

David:
Estamos hablando de unos pocos micrómetros o milímetros. Así que más o menos del tamaño de un frijol o una ruedita de cereal tipo Cheerio, o incluso más pequeños, dependiendo del tipo. Algunos son tan pequeños como unos pocos granos de arena.

Ken:
Ok, guau. Entonces, ¿me estás diciendo que pueden ser tan pequeños como un grano de arena? Eso es mucho más pequeño de lo que imaginaba. ¿Cómo se fabrica algo así? ¿Cómo haces un sensor del tamaño de un grano de arena?

David:
Todo comienza con arena. Muchos sensores MEMS solo fueron posibles gracias al desarrollo de la tecnología moderna de fabricación de semiconductores usando silicio. El silicio—básicamente tomas arena, la fundes y extraes solo la parte de silicio. Luego puedes formar obleas y usar un proceso complejo de grabado y enmascarado para tallar o esculpir con gran precisión las diferentes partes del silicio como desees.

Ken:
Entonces, ¿puedo imaginarlo como si tuviera un martillo y cincel diminutos y pudiera tallar y construir objetos capa por capa?

David:
Sí. De hecho, la gente ha hecho engranajes diminutos, pequeños autos… principalmente por diversión, pero puedes fabricar casi cualquier objeto que imagines. Aunque generalmente se hace en un plano. Si es un objeto plano o bidimensional, es mucho más fácil que, por ejemplo, construir una pequeña Torre Eiffel. Pero se puede hacer.

Ken:
Leí que uno de los usos más geniales es la fabricación de espejos. Podemos hacer espejitos diminutos usando tecnología MEMS. Y si has ido al cine en los últimos 10 años, quizás hayas visto algo llamado proyección DLP de Texas Instruments. Y eso es realmente interesante porque es un chip semiconductor que usa millones de pequeños espejos MEMS para proyectar una imagen en la pantalla.

David:
Sí, esa tecnología es realmente impresionante. Cada espejito es un píxel, y el sistema MEMS puede controlar el ángulo del espejo para mezclar los colores y crear la imagen completa. Tienes tantos espejos como píxeles, desde miles hasta millones.

Ken:
Es alucinante. No puedo ni imaginarme tantos espejitos moviéndose al mismo tiempo para formar una imagen.

David:
Sí.

Ken:
Entonces, ¿cuáles son las ventajas de los sensores MEMS? ¿Por qué tomarnos todo este trabajo de fundir arena, grabarla y fabricar sensores tan diminutos?

David:
La mayor ventaja es el tamaño. Como dice el nombre: "micro", son muy pequeños. También consumen menos energía que muchos sensores tradicionales. Y la capacidad de medir cosas nuevas también se ha ampliado. Aunque las ventajas principales son el tamaño y el consumo de energía.

Ken:
Pero, quiero decir, ¿no son más frágiles? Están hechos de arena, y cuando fundes arena obtienes algo como vidrio, ¿no? ¿No es eso frágil?

David:
No, en realidad es lo contrario. Es un poco contraintuitivo. El hecho de que sean más pequeños los hace más resistentes. Si lo piensas, la fuerza sobre un objeto es masa por aceleración. Entonces, si tienes menos masa, como en el caso de los MEMS, tienes menos fuerza. Claro, tus estructuras también son más pequeñas, pero al final, con todas las leyes físicas y propiedades del material, los sensores MEMS resultan ser muy resistentes.

Una ventaja, por ejemplo, es que tu teléfono tiene al menos tres acelerómetros. Los acelerómetros de cuarzo que mencionábamos antes son del tamaño de una pelota de ping pong. Así que imagina tratar de meter tres pelotas de ping pong en tu teléfono... sería ridículo.

Ken:
Sí, totalmente me lo imagino. Pero si pienso en el ejemplo del cine, ¿podríamos, en lugar de tener miles de espejos haciendo una imagen, tener miles de acelerómetros trabajando juntos para formar un súper sensor?

David:
Sí, se pueden obtener beneficios al tomar mediciones de muchos sensores a la vez. Eso se llama "fusión de sensores", que básicamente es mucha matemática para obtener una mejor medición combinando muchas mediciones individuales, aunque sean de sensores de menor calidad.

Ken:
Entonces, recapitulemos lo que hemos hecho en los últimos 100 años. Hace un siglo, teníamos botellas de vidrio llenas de ácido grabando inclinaciones en sus paredes. Luego vinieron las plomadas y otras cosas por el estilo.

Hace 50 años, enrollábamos magnetómetros a mano y mecanizábamos piezas diminutas de cuarzo. Y hoy usamos máquinas enormes diseñadas para fabricar microprocesadores, para hacer dispositivos mecánicos diminutos capaces de medir la gravedad y el campo magnético de la Tierra. ¿Es ese nuestro recorrido?

David:
Sí, y es un gran viaje cuando lo ves con esa perspectiva.

Ken:
Entonces, ¿dónde estaremos en 50 años, Dave? ¿En el 2070, de qué estaré haciendo sensores? ¿Todavía estaré perforando petróleo?

David:
No puedo responder eso, pero creo que los MEMS—al menos el concepto de sensores MEMS—llegaron para quedarse.

Ken:
Tal vez dentro de 50 años serán aún más pequeños.

David:
Más pequeños, mejores, más precisos, más mediciones… quién sabe. Imagino que habrá muchos tipos nuevos de sensores que ni siquiera hemos imaginado aún.

Ken:
Bueno, esto ha sido muy divertido. Gracias por escucharnos hoy. Yo soy Ken Miller.

David:
Y yo soy David Erdos.

Ken:
Y este ha sido el Podcast de Nuevas Tecnologías de Erdos Miller. Si tienes alguna pregunta para Ken y David, por favor escribe a: podcast@ErdosMiller.com. ¡Gracias!