radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2020-23-6-70-83radioelectronics-479Research ArticleПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛНMEASURING SYSTEMS AND INSTRUMENTS BASED ON ACOUSTIC, OPTICAL AND RADIO WAVESВыбор материала чувствительных элементов акселерометров на основе ПАВSelection of the Material for the Sensitive Elements of SAW-based Accelerometershttps://orcid.org/0000-0002-4047-7757ШевченкоС. Ю.ShevchenkoS. Yu.

Шевченко Сергей Юрьевич – кандидат технических наук (2007), доцент (2013) кафедры ЛИНС. Автор более 80 научных публикаций. Сфера научных интересов – микросенсоры навигационных систем. 

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

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

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

syshevchenko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8274-1475МихайленкоД. А.MikhailenkoD. A.

Михайленко Денис Андреевич – аспирант (2019) кафедры ЛИНС. Сфера научных интересов – микромеханические системы навигации и компьютерное моделирование физических процессов. 

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

Denis A. Mikhailenko, postgraduate (2019) of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems. Area of expertise: micromechanical navigation systems and computer simulation of physical processes. 

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

kratosloaded@mail.ruЛукьяновД. П.LukyanovD. P.

Дмитрий Павлович Лукьянов – доктор технических наук (1974), профессор (1979) кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС). Заслуженный деятель науки РФ (1996). Автор более 200 научных публикаций. Сфера научных интересов – лазерная гироскопия. 

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

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

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

dplukyanov@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2020291220202367083Copyright © Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А., Лукьянов Д.П., 20202020Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А., Лукьянов Д.П.Shevchenko S.Y., Mikhailenko D.A., Lukyanov D.P.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/479Введение

Введение. Датчики на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) являются стремительно развивающимся направлением и перспективной заменой классических датчиков, особенно в тех сферах, где длительная работоспособность последних под вопросом. Принцип работы датчиков на ПАВ основан на акустических колебаниях, поэтому выбор пьезоэлектрического материала консоли с учетом внешних влияний на будущее устройство и его условий работы является важнейшей задачей. Синтезировано и создано множество монокристаллических структур и их срезов для устройств на поверхностных акустических волнах. Основными материалами, применяемыми для изготовления подложек, являются кристаллы кварца (SiO2), ниобата лития (LiNbO3), танталата лития (LiTaO3) и пленочный нитрид алюминия (AlN). Производятся новые кристаллические структуры: лангасит (La3Ga5SiO14), лангатат (La3Ga5.5Ta0.5O14), ланганит и др. Проблема применения подобных материалов для изготовления консолей – отсутствие систематизированных данных о важных характеристиках для распространения ПАВ, к примеру тензора упругости 4-го ранга. Чтобы преодолеть указанный недостаток, предложена конструкция микромеханического акселерометра на основе ПАВ, основанного на мембранном ЧЭ для более равномерного распределения нагрузки по поверхности ЧЭ. Одна из ключевых проблем для дальнейшего развития датчиков на основе ПАВ - одностороннее закрепление прямоугольных и треугольных чувствительных элементов (ЧЭ) в корпусе датчика.

Цель работы

Цель работы. Показать преимущества использования AlN как материала чувствительного элемента кольцевого волнового резонатора на поверхностных акустических волнах.

Материалы и методы

Материалы и методы. Применение метода конечных элементов и математическая обработка в AutoCAD 2019 и COMSOL Multiphysics 5.4.

Результаты

Результаты. Предложено использовать AlN в качестве материала чувствительного элемента для измерения ускорения на основе ПАВ. Предлагаемое решение сравнивалось с существующими прототипами, основанными на использовании мембран SiO2/LiNbO3, которые характеризуются сильными анизотропными свойствами. Создана 3D-модель ЧЭ кольцевого волнового резонатора на поверхностных волнах. Используя компьютерное моделирование и программное обеспечение COMSOL Multiphysics доказано, что конструкция способна выдерживать воздействия свыше 10 000 g и чувствительный элемент на основе изотропного AlN преодолевает ограничения как низкой чувствительности SiO2, так и малой температурной стабильности LiNbO3. AlN демонстрирует почти двойную устойчивость к необратимым механическим деформациям по сравнению с SiO2, что, в свою очередь, позволяет дополнительно повысить чувствительность в 1.5 раза по сравнению с датчиками на основе кварца.

Заключение

Заключение. Исходя из созданной модели, можно сделать вывод о перспективности использования нитрида алюминия как материала для чувствительного элемента, особенно для измерения больших значений ускорения, но c ограничениями по температурной чувствительности материала.

Introduction

Introduction. At the present, sensors based on surface acoustic waves (SAW) is a rapidly developing direction and a promising replacement for classical sensors, especially in those areas where long-term performance of latter is questionable. The principle of operation of SAW sensors is based on acoustic vibrations, therefore, the choice of piezoelectric material of а console, considering external influences on a future device and its operating conditions, is the most important task. Currently, many monocrystalline structures and their sections have been synthesized and created for the devices using SAW. The main materials used for the manufacture of substrates are crystals of quartz (SiO2), lithium niobate (LiNbO3), lithium tantalate (LiTaO3) and film aluminum nitride (AlN). Also, new crystal structures: langasite (La3Ga5SiO14), langatate (La3Ga5.5Ta0.5O14), langanite and others were produced. The problem of using such materials for the manufacture of consoles is the lack of systematized data on important characteristics for the propagation of surfactants, for example, the elasticity tensor of the 4th rank. One of the key problems for the further development of SAW-based sensors is the one-way fastening of rectangular and triangular sensitive elements (SE) in sensor housing. In order to overcome the above drawback an MMA surfactant thing based on a membrane SE for a more uniform distribution of a load over the surface of the SE was proposed.

Aim

Aim. To show the advantages of using AlN as the SE material of a ring wave resonator on SAW.

Materials and methods

Materials and methods. The theoretical part of the research was carried out using the finite element method. Mathematical processing was implemented in AutoCAD 2019 and in COMSOL Multiphysics 5.4.

Results

Results. The use of AlN, which acts as the SE material for measuring an acceleration based on SAW was proposed. The proposed solution was compared with existing prototypes based on the use of SiO2 / LiNbO3 membranes, which were characterized by strong anisotropic properties. A 3D model of the SE of a ring wave resonator on surface waves was created. Using computer simulations and COMSOL Multiphysics software, it was shown that the thing was capable to withstand exposures in excess of 10 000 g, and an isotropic AlN sensor overcomed the limitations of both the low sensitivity of SiO2 and the low temperature stability of LiNbO3. AlN demonstrated almost double resistance to irreversible mechanical deformations as compared to SiO2, which, in turn, allows an additional 1.5-fold increase in sensitivity compared to quartz – based sensors.

Conclusion

Conclusion. Based on the data obtained by the modeling, it can be concluded that the use of AIN as SE material is promising, especially for measuring high acceleration values, but with restrictions on temperature sensitivity of the material.

микроэлектромеханические системымикромеханический акселерометрчувствительный элементповерхностные акустические волнывстречно-штыревой преобразовательанизотропный материализотропный материалmicroelectromechanical systemsmicromechanical accelerometersensitive elementsurface acoustic wavesinterdigital transduceranisotropic materialisotropic materialС. Ю. Шевченко и Д. А. Михайленко благодарят Российский Научный Фонд за поддержку в рамках проекта № 20-19-00460.ReferencesДнепровский В. Г., Карапетьян Г. Я. Устройства на поверхностных акустических волнах. Р. н/д: Изд-во Южного федерального ун-та, 2014. 186 C.Dneprovsky V. G., Karapetyan G. Ya. Devices on surface acoustic waves. Rostov-on-don: Southern Federal University, 2014, 186 p. (In Russ.)Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для измерения параметров газовых и жидких сред / Г. Я. Карапетьян, В. Г. Днепровский, С. А. Багдасарян, А. С. Багдасарян, А. Л. Николаев, Е. М. Кайдашев // Инженерный вестн. Дона. 2012. Т. 20, № 2. C. 186–190.Karapetyan G. Ya., Dneprovskiy V. G., Bagdasaryan S. A., Bagdasaryan A. S., Nikolaev A. L., Kaidashev E. M. Passive wireless sensor on surface acoustic waves for measuring parameters of gas and liquid media. Inzhenernyj vestnik Dona. Iz-vo: Rostovskoe regional'noe otdelenie Obshcherossijskoj obshchestvennoj organizacii "Rossijskaya inzhenernaya akademiya", 2012, vol. 20, no. 2, pp. 186-190. (In Russ.)Thiele J. A., Da Cunha M. P. High temperature LGS SAW gas sensor // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Vol. 113, № 2. P. 816–822. doi: 10.1016/J.SNB.2005.03.071Thiele J. A., Da Cunha M. P. High temperature LGS SAW gas sensor. Sensors and Actuators B: Chemical. 2006, vol. 113, no. 2, pp. 816–822. doi: 10.1016/J.SNB.2005.03.071Development of a SAW gas sensor for monitoring SO2 gas / Y. J. Lee, H. B. Kim, Y. R. Roh, H. M. Cho, S. Baik // Sensors and Actuators A: Physical. Nov. 1998. Vol. 64, № 2. P. 173–178. doi: 10.1016/s0924-4247(98)80011-3Lee Y. J., Kim H. B., Roh Y. R., Cho H. M., Baik S. Development of a SAW gas sensor for monitoring SO2 gas. Sensors and Actuators A: Physical. Nov. 1998, vol. 64, no. 2, pp. 173–178. doi: 10.1016/s0924-4247(98)80011-3Кронидов Т. В., Калинин В. А. Беспроводной пассивный датчик температуры на ПАВ-метке // Вопросы радиоэлектроники. 2012. Т. 1, № 1. С. 115–123.Kronidov T. V., Kalinin V. A. Wireless passive surface acoustic wave temperature sensor and tag. 2012, vol. 1, no. 1, pp. 115–123. (in Russ.)SAW temperature sensor with mirror topology / I. Antcev, S. Bogoslovsky, G. Sapozhnikov, S. Zhgoon, A. Shvetsov // European Frequency and Time Forum (EFTF), IEEE, Apr. 2018. P. 101–104. doi: 10.1109/eftf.2018.8409008Antcev I., Bogoslovsky S., Sapozhnikov G., Zhgoon S., Shvetsov A. SAW temperature sensor with mirror topology. European Frequency and Time Forum (EFTF). IEEE, Apr. 2018, pp. 101–104. doi: 10.1109/eftf.2018.8409008GaN membrane supported SAW pressure sensors with embedded temperature sensing capability / A. Müller, G. Konstantinidis, I. Giangu, G. C. Adam, A. Stefanescu, A. Stavrinidis, G. Stavrinidis, A. Kostopoulos, G. Boldeiu, A. Dinescu // IEEE Sensors J. 2017. Vol. 17, № 22. P. 7383–7393. doi: 10.1109/JSEN.2017.2757770Müller A., Konstantinidis G., Giangu I., Adam G. C., Stefanescu A., Stavrinidis A., Stavrinidis G., Kostopoulos A., Boldeiu G., Dinescu A. GaN membrane supported SAW pressure sensors with embedded temperature sensing capability. IEEE Sensors J. Nov. 2017, vol 17, no. 22, pp. 7383–7393. doi: 10.1109/JSEN.2017.2757770Irzhak D., Roshchupkin D. Measurement of independent piezoelectric moduli of Ca3NbGa3Si2O14, La3Ga5.5Ta0.5O14 and La3Ga5SiO14 single crystals // J. of Applied Crystallography. 2018. Vol. 51, № 4. P. 1174–1181. doi: 10.1107/s1600576718009184Irzhak D., Roshchupkin D. Measurement of independent piezoelectric moduli of Ca3NbGa3Si2O14, La3Ga5.5Ta0.5O14 and La3Ga5SiO14 single crystals. J. of Applied Crystallography. 2018, vol. 51, no. 4, pp. 1174–1181. doi: 10.1107/s1600576718009184A high sensitive SH-SAW biosensor based 36° YX black LiTaO3 for label-free detection of Pseudomonas Aeruginosa / J. Ji, Ch. Yang, F. Zhang, Zh. Shang, Y. Xu, Y. Chen, M. Chen, X. Mu // Sensors and Actuators B: Chemical. 2019. Vol. 281. P. 757–764. doi: 10.1016/j.snb.2018.10.128Ji J., Yang Ch., Zhang F., Shang Zh., Xu Y., Chen Y., Chen M., Mu X. A high sensitive SH-SAW biosensor based 36° YX black LiTaO3 for label-free detection of Pseudomonas Aeruginosa. Sensors and Actuators B: Chemical. 2019, vol. 281, pp. 757–764. doi: 10.1016/j.snb.2018.10.128Maskay A., Ayes A., da Cunha M. P. Stability of Pt/Al2O3-based electrode langasite SAW sensors with Al2O3 capping layer and yttria-stabilized zirconia sensing layer // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. (IUS), IEEE, Sep. 2017. P. 1–4. doi: 10.1109/ultsym.2017.8092442Maskay A., Ayes A., da Cunha M. P. Stability of Pt/Al2O3-based electrode langasite SAW sensors with Al2O3 capping layer and yttria-stabilized zirconia sensing layer. IEEE Intern. Ultrasonics Symp. (IUS). IEEE, Sep. 2017, pp. 1–4. doi: 10.1109/ultsym.2017.8092442Peculiar Properties of Phase Transitions in Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3 Lead-free Relaxor Ferroelectrics Seen Via Acoustic Emission / E. Dul'kin, J. Tiagunova, E. Mojaev, M. Roth // Functional Materials Letters. 2017. Т. 10, № 4. P. 1750048. doi: 10.1142/S1793604717500485Dul'kin E., Tiagunova J., Mojaev E., Roth M. Peculiar Properties of Phase Transitions in Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3 Lead-free Relaxor Ferroelectrics Seen Via Acoustic Emission. Functional Materials Letters. 2017, vol. 10, no. 4, pp. 1750048. doi: 10.1142/S1793604717500485Shevchenko S. Y., Khivrich M. A., Markelov M. A. Ring-Shaped Sensitive Element Design for Acceleration // Measurements: Overcoming the Limitations of Angular-Shaped Sensors. Electronics. 2019. Vol. 8, № 2. 141 p. doi: 10.3390/electronics8020141Shevchenko S. Y., Khivrich M. A., Markelov M. A. Ring-Shaped Sensitive Element Design for Acceleration Measurements: Overcoming the Limitations of AngularShaped Sensors. Electronics. 2019, vol. 8, no. 2, 141 p. doi: 10.3390/electronics8020141Micromechanical accelerometers based on surface acoustic waves / D. Lukyanov, S. Shevchenko, A. Kukaev, E. Filippova, D. Safronov // In Proc. of the NORCHIP 2014 32nd Conf.: The Nordic Microelectronics Event, Tampere, Finland, 7–28 Oct. 2014. P. 1–4. doi: 10.1109/NORCHIP.2014.7004701Lukyanov D., Shevchenko S., Kukaev A., Filippova E., Safronov D. Micromechanical accelerometers based on surface acoustic waves / In Proc. of the NORCHIP 2014 32nd Conf.: The Nordic Microelectronics Event, Tampere, Finland, 7–28 Oct. 2014, pp. 1–4. doi: 10.1109/NORCHIP.2014.7004701Microaccelerometer based on surface acoustic waves / D. Lukyanov, S. Shevchenko, A. Kukaev, E. Filippova, D. Safronov // In Proc. of the 2014 Symp. on Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications, Beijing, China, 30 Oct. – 2 Nov. 2014. P. 18–21. doi: 10.1109/SPAWDA.2014.6998515Lukyanov D., Shevchenko S., Kukaev A., Filippova E., Safronov D. Microaccelerometer based on surface acoustic waves. In Proc. of the 2014 Symp. on Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications, Beijing, China, 30 Oct. – 2 Nov. 2014, pp. 18–21. doi: 10.1109/SPAWDA.2014.6998515Surface-acoustic-wave sensor design for acceleration measurement / S. Shevchenko, A. Kukaev, M. Khivrich, D. Lukyanov // Sensors. 2018. Vol. 18, № 7. P. 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, 2301 p. doi: 10.3390/s18072301Ring 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. Appl. Phys. 2009. Vol. 106, № 12. P.126103. doi: 10.1063/1.3272027Biryukov 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. Appl. Phys. 2009, vol. 106, no. 12, pp. 126103. doi: 10.1063/1.3272027Biryukov S. V., Schmidt H., Weihnacht M. Singlemode ring waveguide resonator on SAW // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2010. P. 2099–2102. doi: 10.1109/ultsym.2010.5935471Biryukov S. V., Schmidt H., Weihnacht M. Singlemode ring waveguide resonator on SAW. Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2010, pp. 2099–2102. doi: 10.1109/ultsym.2010.5935471

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