radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-5-116-129radioelectronics-381Research ArticleПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛНMEASURING SYSTEMS AND INSTRUMENTS BASED ON ACOUSTIC, OPTICAL AND RADIO WAVESМикроакселерометр на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материалеMicroaccelerometer on Surface Acoustic Waves with a Ring Resonator on Anisotropic Materialhttps://orcid.org/0000-0001-8171-4475ЛукьяновД. П.LukyanovDmitry P.

Лукьянов Дмитрий Павлович – доктор технических наук (1974), профессор (1979) кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Заслуженный деятель науки РФ (1996). Автор более 200 научных публикаций. Сфера научных интересов – лазерная гироскопия.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия.

Dmitry P. Lukyanov, Dr. Sci. (Eng.) (1974), Professor (1979) of the Department of Department of Laser Measurement and Navigation Systems of Saint Petersburg Electrotechnical University. Honored Scientist of the Russian Federation (1996). The author of more than 200 scientific publications. Area of expertise: laser gyroscopy.

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376, Russia

dplukyanov@mail.ruБоронахинА. М.BoronakhinAlexander M.

Александр Михайлович Боронахин – доктор технических наук (2013), доцент (2005), профессор кафедры ЛИНС, декан факультета информационно-измерительных и биотехнических систем СанктПетербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор более 120 научных публикаций. Сфера научных интересов – разработка интегрированных инерциальных технологий динамического мониторинга рельсового пути для обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта. Scopus Author ID: 3645347540; Researcher ID: P-5768-2017

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия.

Alexander M. Boronakhin, Dr. Sci. (Eng.) (2013), Associate Professor (2005), of the Department of Department of Laser Measurement and Navigation Systems of Saint Petersburg Electrotechnical University. The author of more than 120 scientific publications. Area of expertise: development of integrated inertial technologies for dynamic monitoring of the rail track to ensure the safety of rail traffic. Scopus Author ID: 36453475400; Researcher ID: P-5768-2017

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376, Russia

AMBoronahin@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4047-7757ШевченкоС. Ю.ShevchenkoSergey Yu.

Шевченко Сергей Юрьевич – кандидат технических наук (2007), доцент (2013) кафедры ЛИНС СанктПетербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина). Автор более 80 научных публикаций. Сфера научных интересов – микросенсоры навигационных систем.

ул. Профессора Попова, д. 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия.

Sergey Yu. Shevchenko, Cand. Sci. (2007), Associate Professor (2013) of the Department of Department of Laser Measurement and Navigation Systems of Saint Petersburg Electrotechnical University. The author of more than 80 scientific publications. Area of expertise: microsensors of navigation systems.

5 Professor Popov Str., St Petersburg 197376, Russia

syshevchenko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5152-3480ХивричМ. А.KhivrichMariya A.

Хиврич Мария Александровна – магистр по направлению "Приборостроение" (2014). В 2018 г. окончила аспирантуру по направлению "Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии" (Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)). Разработчик технической документации АО "Авро-МКС". Автор 10 научных публикаций. Сфера научных интересов – навигация, микромеханические системы.

ул. Обручевых, д. 9, Санкт-Петербург, 194064, Россия. 

Mariya A. Khivrich, Master on Instrument Engineering (2014). In 2018, she completed postgraduate studies in the field of "Photonics, Instrument Engineering, Optical and Biotechnological Systems and Technologies" (Saint Petersburg Electrotechnical University). Technical documentation developer in JSC Avro-MKS. The author of 10 scientific publications. Area of expertise: navigation, micromechanical systems.

9 Obruchevykh Str., St Petersburg 194064, Russia

Mariya-khivrich@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1070-5453АмировТ. А.AmirovTemurmalik A.

Амиров Темурмалик Анвар угли – бакалавр по направлению "Электроэнергетика и электротехника" (2018, Ташкентский Государственный Технический Университет им. Ислама Каримова, Ташкент, Узбекистан). Сфера научных интересов – МЭМС; акселерометры и гироскопы; акселерометры и гироскопы на поверхностных акустических волнах.

ул. Университетская, д. 2, Ташкент, 100095, Узбекистан. 

Temurmalik A. Amirov, Bachelor in Electrical Engineering and Electrical Engineering (2018, Tashkent state technical University Named after Islam Karimov). Area of expertise: MEMS; accelerometers and gyroscopes; accelerometers and gyroscopes on surface acoustic waves.

2 Universitetskaya Str., Tashkent 100095, Uzbekistan

a.temurmalik95@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationАО "Авро-МКС"РоссияJSC "Avro-MCS"Russian FederationТашкентский государственный технический университет им. Ислама КаримоваУзбекистанTashkent State Technical University n. a. Islam KarimovUzbekistan201904122019225116129Copyright © Лукьянов Д.П., Боронахин А.М., Шевченко С.Ю., Хиврич М.А., Амиров Т.А., 20192019Лукьянов Д.П., Боронахин А.М., Шевченко С.Ю., Хиврич М.А., Амиров Т.А.Lukyanov D.P., Boronakhin A.M., Shevchenko S.Y., Khivrich M.A., Amirov T.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/381Введение

Введение. Состояние объектов эксплуатации (например, на железной дороге) контролируется системами диагностики. В их составе используются микроэлектромеханические системы, комплектуемые датчиками ускорения (акселерометрами). В процессе эксплуатации акселерометры подвергаются значительным вибрациям и многократно повторяющимся ударным воздействиям. Это накладывает ограничения на конструкцию и материалы, из которых изготавливаются акселерометры.

Цель работы

Цель работы. Разработка микромеханического акселерометра (ММА) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способного измерять ударные воздействия.

Материалы и методы

Материалы и методы. Теоретическая часть работы выполнялась с применением математической теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, конечно-элементарного анализа и элементов теории ПАВ. В ходе работы применялась математическая обработка в программах MATLAB, Mathcad, Maple, COMSOL Multiphysics, OOFELIE::Multiphysics, ПО Bluehill3, CorelDRAW. Экспериментальные исследования проведены с привлечением напольной автоматизированной испытательной системы INSTRON 5985.

Результаты

Результаты. Разработана концепция построения и предложена оригинальная конструкция ММА на ПАВ, способного измерять ударные воздействия в сотни g. Разработан чувствительный элемент (ЧЭ) сенсора. Анализ материалов для пластин в составе конструкции ММА на ПАВ показал, что ЧЭ из кварца ST-среза отличается более широким диапазоном измеряемых ускорений и более высоким порогом чувствительности, чем ЧЭ из ниобата лития среза YX-128°. Выработаны требования и исследована возможность повышения порога чувствительности датчика. Сформулированы требования к проектированию и предложена топология встречно-штыревого преобразователя (ВШП) в виде кольцевого резонатора. Предложена оригинальная топология резонатора с неэквидистантным ВШП для учета анизотропии материала чувствительного элемента. Оценены выходные характеристики: порог чувствительности, динамический диапазон, масштабный коэффициент. Предложена методика расчета ММА на ПАВ с кольцевым резонатором на анизотропном материале. ЧЭ ММА такой конструкции имеет высокий порог чувствительности, широкий динамический диапазон и малую поперечную чувствительность.

Заключение

Заключение. Предложенная методика проектирования ЧЭ твердотельного датчика линейных ускорений позволяет выбрать материал и систему съема измерительной информации в зависимости от технических требований. Благодаря оригинальности конструкторско-технологического решения предложенный акселерометр позволяет проводить измерения в широком диапазоне ударных воздействий.

Introduction

Introduction. Diagnostic systems are designed to monitor the condition of operational components (for example, on the railway). It is imperative that micro-electromechanical systems (MEMS) equipped with acceleration sensors (accelerometers) be used as part of measuring diagnostic systems. It is known that accelerometers are operated under increased vibration and repeated shock loads. This imposes a limitation both on the accelerometer design and the properties of materials from which these devices are produced.

Aim

Aim. To develop a micromechanical accelerometer (MMA) for surface acoustic waves (SAW), capable of measuring shock effects.

Materials and methods

Materials and methods. The theoretical part of the study was carried out using the mathematical theory of differential equations, theoretical mechanics, finite element analysis and elements of SAW theory. In the course of the work, the following methods of mathematical processing were applied: MATLAB, Mathcad, Maple, COMSOL Multiphysics, OOFELIE: Multiphysics, Bluehill3 software, CorelDRAW. Experimental studies were also conducted using the INSTRON 5985 floor automated test system.

Results

Results. An original design of MMA on a SAW capable of measuring shock effects in hundreds of g was proposed. A sensing element (SE) of the sensor was developed. An analysis of the plate materials for their use as part of the SAW-based MMA design showed that SE from the quartz ST-cut material has a wider range of measured accelerations and a higher sensitivity threshold than SE from the YX-128˚ cut-off lithium niobate material. Requirements were developed to increase the SE sensitivity threshold. Design requirements were developed, and an interdigital transducer (IDT) topology in the form of a ring resonator was proposed. The following output characteristics were assessed: sensitivity threshold, dynamic range and scale factor. In addition, a procedure was developed for calculating MMA on a SAW with a ring resonator on an anisotropic material. It was found that the developed SE is characterized by a high sensitivity threshold, a wide dynamic range and a low transverse sensitivity.

Conclusion

Conclusion. The technique proposed for designing a sensing element for use in solid-state linear acceleration sensors facilitates, depending on technical requirements, selection of construction materials and sensor design. Due to the originality of the design and engineering solutions, the proposed accelerometer allows measurements to be carried out across a wide range of impact loads.

микроэлектромеханические системымикромеханический акселерометрчувствительный элементповерхностно-акустические волнывстречно-штыревой преобразовательанизотропный материалmicroelectromechanical systemsmicromechanical accelerometersensitive elementsurface acoustic wavesinterdigital transduceranisotropic materialReferencesMounier E., Troadec C., Girardin G. Status of the MEMS industry 2016. Yole Developpement. Market and Technology report. 2016. 5 p.Mounier E., Troadec C., Girardin G. Status of the MEMS industry 2016. Yole Developpement. Market and Technology report. 2016, 5 p.Mounier E. Status of the MEMS industry 2017. Yole Developpement. Market and Technology report. 2017. 4 p.Mounier E. Status of the MEMS industry 2017. Yole Developpement. Market and Technology report. 2017, 4 p.Mounier E. Status of the MEMS industry 2018. Yole Developpement. Market and Technology report. 2018. 4 p.Mounier E. Status of the MEMS industry 2018. Yole Developpement. Market and Technology report. 2018, 4 p.Использование МЭМС-датчиков для решения задач мониторинга состояния рельсового пути / А. М. Боронахин, Д. Ю. Ларионов, Л. Н. Подгорная, А. Н. Ткаченко, Р. В. Шалымов // Изв. Тульского гос. ун-та. Техн. науки. 2017. № 9 (2). С. 111–123.Boronakhin A. M., Larionov D. Yu., Podgornaya L. N., Tkachenko A. N., Shalymov R. V. Using MEMS-Sensors for Solving the Railway State Monitoring Problems. Izvestiya Tula State University [Proc. of the TSU]. Technical sciences. 2017, no. 9 (2), pp. 111–123. (In Russ.)Сунгуров Д. В., Шалымов Р. В. Инерциальный метод диагностики рельсового пути с учетом состояния поверхностей катания колес вагона // Навигация и управление движением: материалы ХVI конф. молодых ученых / Концерн "ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2014. С. 49–55.Sungurov D. V., Shalymov R. V. Inertial Method for Diagnosing a Rail Track, Taking into Account the Condition of the Rolling Surfaces of the Car Wheels. Proc. of the XVI Conf. Young Scientists Navigation and Traffic Control. Concern CRI Elektropribor. SPb., 2014, pp. 49–55. (In Russ.)Использование микромеханических чувствительных элементов в задачах диагностики рельсового пути / А. М. Боронахин, Л. Н. Подгорная, Е. Д. Бохман, Н. С. Филипеня, Ю. В. Филатов, Р. В. Шалымов, Д. Ю. Ларионов // Гироскопия и навигация. 2012. № 1 (76). С. 57–66.Boronakhin A. M., Podgornaya L. N., Bokhman E. D., Filipenya N. S., Filatov Yu. V., Shalymov R. V., Larionov D. Yu. MEMS-Based Inertial System for Railway Track Diagnostics. Gyroscopy and Navigation. 2012, no. 1 (76), pp. 57–66. (In Russ.)Абдуллин Ф. А., Пауткин В. Е. Технологические особенности формирования кремниевых пьезорезистивных акселерометров с расширенным температурным диапазоном измерений // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2016. № 2. С. 118–123.Abdullin F. A., Pautkin V. E. Technological Features of the Formation of Silicon Piezoresistive Accelerometers with Extended Temperature Range of Measures. Measuring. Monitoring. Management. Control 2016, no. 2, pp. 118–123. (In Russ.)Абдуллин Ф. А., Пауткин В. Е., Печерский А. В. Материалы, применяемые при изготовлении микроэлектромеханических систем (МЭМС) // Материалы и технологии XXI в. 2016. С. 131–136.Abdullin F. A., Pautkin V. E., Pecherskii A. V. Materials Used in the Manufacture of Micro-Electromechanical Systems (MEMS). Proc. of the 21st Century Materials and Technologies. 2016, pp. 131–136. (In Russ.)Багинский И. Л., Косцов Э. Г. Емкостные МЭМСакселерометры сверхвысоких ускорений // Автометрия. 2017. Т. 53, № 3. С. 107–116.Balaginsky I. L., Kostsov E. G. Capacitive MEMS Accelerometers for Measuring High-G Accelerations. Avtometria. 2017, vol. 53, no. 3, pp. 107–116. (In Russ.) doi: 10.15372/AUT20170314Парфенов Н. М. Аналитические исследования интегральных МЭМС-акселерометров // Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18, № 2. С. 96–109.Parfyonov N. M. Analytical Research of the Integral MEMS Accelerometers. Nano- and Microsystems Technology. 2016, vol. 18, no. 2, pp. 96–109. (In Russ.)Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Ч. 3. Классификация и анализ базовых рабочих принципов // Компоненты и технологии. 2006. № 2. С. 42–49.Sysoeva S. Car accelerometers. P. 3. Classification and Analysis of Basic Operating Principles. Components & Technologies. 2006, no. 2, pp. 42–49. (In Russ.)Петропавловский Ю. Современные МЭМСпродукты компании AnalogDevices. Ч. 2 // Элементы и компоненты. 2015. № 7. С. 24–29.Petropavlovsky Yu. Modern MEMS Products from AnalogDevices. P. 2. Elements and Components. 2015, no. 7, pp. 24–29. (In Russ.)Сысоева С. МЭМС-технологии. Простое и доступное решение сложных систематических задач // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 7. С. 80–89.Sysoeva S. MEMS Technology. A Simple and Available Solution for Complex System Tasks. Electronics: STB. 2009, no. 7, pp. 80–89. (In Russ.)Сысоева С. Введение в High-End сегменты применения МЭМС-технологии // Компоненты и технологии. 2010. № 10. С. 15–22.Sysoeva S. Introduction to High-End MEMS Technology Segments. Components & Technologies. 2010, no. 10, pp. 15–22. (In Russ.)Одинец А. И., Федорова Л. Д. Датчики МЭМС для управления и диагностирования автомобиля // Омский науч. вестн. 2015. № 2. С. 177–179.Odinets A. I., Fedorova L. D. MEMS Sensors for Vehicle Control and Diagnostics. Omsk Scientific Bulletin. 2015, no. 2, pp. 177–179. (In Russ.)Design of a Piezoelectric Accelerometer with High Sensitivity and Low Transverse Effect / B. Tian, H. Liu, N. Yang, Yu. Zhao, Zh. Jiang // Sensors. 2016. № 16. 1587. doi: 10.3390/s16101587Tian B., Liu H., Yang N., Zhao Yu., Jiang Zh. Design of a Piezoelectric Accelerometer with High Sensitivity and Low Transverse Effect. Sensors. 2016, no. 16, 1587. doi: 10.3390/s16101587Design Strategy for a New High-G Accelerometer / R. Kuells, S. Nau, Ch. Bohland, M. Salk, K. Thoma // Proc. Sensor. 2013. P. 105–110. doi: 10.5162/sensor2013/A5.1Kuells R., Nau S., Bohland Ch., Salk M., Thoma K. Design Strategy for a New High-G Accelerometer. Proc. Sensor 2013, pp. 105–110. doi: 10.5162/sensor2013/A5.1Разработка и оптимизация схемы построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах. Ч. 2 / Д. П. Лукьянов, А. А. Тихонов, Ю. В. Филатов, М. М. Шевелько, А. Г. Поваляев, С. Ю. Шевченко, А. А. Стуров, И. В. Попова, А. М. Лестев, М. А. Лестев, В. В. Новиков, М. С. Вершинин // Гироскопия и навигация. 2007. № 3 (58). С. 62–76.Lukianov D. P., Tikhonov A. A., Filatov Yu. V., Shevelko M. M., Povalyaev A. G., Shevchenko S. Yu., Sturov A. A., Popova I. V., Lestev A. M., Lestev M. A., Novikov V. V., Vershinin M. S. Development and Optimization of the Surface Acoustic-Waves Microaccelerometer Construction Scheme. Part 2. Gyroscopy and Navigation. 2007, no. 3 (58), pp. 62–76. (In Russ.)Biryukov S. V., Martin G., Weihnacht M. Ring waveguide resonator on surface acoustic waves // Appl. phys. lett. 2007. Vol. 90, iss. 13. doi: 10.1063/1.2731683Biryukov S. V., Martin G., Weihnacht M. Ring Waveguide Resonator on Surface Acoustic Waves. Applied Physics Letters. 2007, vol. 90, iss. 13. doi: 10.1063/1.2731683Ring waveguide resonator on surface acoustic waves: First experiments / S. V. Biryukov, H. Schmidt, A. V. Sotnikov, M. Weihnacht, T. Yu. Chemekova, Yu. N. Makarov // J. of applied physics. 2009. Vol. 106, iss. 12. doi: 10.1063/1.3272027.Biryukov S. V., Schmidt H., Sotnikov A. V., Weihnacht M., Chemekova T. Yu., Makarov Yu. N. Ring Waveguide Resonator on Surface Acoustic Waves: First Experiments. J. of applied physics. 2009, vol. 106, iss. 12. doi: 10.1063/1.3272027Biryukov S. V., Schmidt H., Weihnacht M. Performance of SAW Ring Waveguide Resonator: 3D FEM and Experiments // 2009 IEEE Int. Ultrasonics Symp. Rome, Italy, 20–23 Sept. 2009. doi: 10.1109/ULTSYM.2009. 5441445Biryukov S. V., Schmidt H., Weihnacht M. Performance of SAW Ring Waveguide Resonator: 3D FEM and Experiments. 2009 IEEE Int. Ultrasonics Symp. Rome, Italy, 20–23 Sept. 2009. doi: 10.1109/ULTSYM.2009. 5441445Хиврич М. А., Шевченко С. Ю. Моделирование чувствительного элемента микромеханического акселерометра для высокодинамичных объектов методом конечных элементов // Междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям. 2018. Т. 1. С. 615–617.Khivrich M.A., Shevchenko S.Yu. Modeling a Sensitive Element of a Micro-Mechanical Accelerometer for Highly Dynamic Objects Using the Finite Element Method. Proc. of the Intern. Conf. on Soft Calculations and Measurements. 2018, vol. 1, pp. 615–617. (In Russ.)Хиврич М. А., Кудряшова М. С., Шевченко С. Ю. Анализ чувствительного элемента микромеханического акселерометра на поверхностных акустических волнах // Навигация и управление движением: конф. молодых ученых / Концерн "ЦНИИ "Электроприбор". СПб., 2018. С. 108–112.Khivrich M. A., Kudryashova M. S., Shevchenko S. Yu. Analysis of a Sensitive Element of a Micromechanical Accelerometer on Surface Acoustic Waves. Conf. of Young Scientists Navigation and Motion Control. SPb., 2018, pp. 108–112. (In Russ.)Surface-acoustic-wave sensor design for acceleration measurement / S. Shevchenko, A. Kukaev, M. Khivrich, D. Lukyanov // Sensors. 2018. Vol. 18, № 7. art. no. 2301. doi: 10.3390/s18072301Shevchenko S., Kukaev A., Khivrich M., Lukyanov D. Surface-Acoustic-Wave Sensor Design for Acceleration Measurement. Sensors. 2018, vol. 18, no. 7, art. no. 2301. doi: 10.3390/s18072301Shevchenko S. Yu., Khivrich M. A., Markelov O. A. Ring-shaped sensitive element design for acceleration measurements: overcoming the limitations of angularshaped sensors // Electronics. 2019. Vol. 8, № 2. art. no. 141. doi: 10.3390/electronics8020141Shevchenko S. Yu., Khivrich M. A., Markelov O. A. Ring-Shaped Sensitive Element Design for Acceleration Measurements: Overcoming the Limitations of AngularShaped Sensors. Electronics, 2019, vol. 8, no. 2, art. no. 141. doi: 10.3390/electronics8020141

The authors declare that there are no conflicts of interest present.