radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-6-51-62radioelectronics-578Research ArticleПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛНMEASURING SYSTEMS AND INSTRUMENTS BASED ON ACOUSTIC, OPTICAL AND RADIO WAVESОптимизация конструкции встречно-штыревого преобразователя кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнахOptimizing the Design of Surface-Acoustic-Wave Ring Resonator by Changing the Interdigitated Transducer Topologyhttps://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 кафедры ЛИНС. Автор трех научных публикаций. Сфера научных интересов – микромеханические системы навигации и компьютерное моделирование физических процессов.

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

Denis A. Mikhailenko, Postgraduate of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems. The author of 3 scientific publications. Area of expertise: micromechanical navigation systems and computer simulation of physical processes.

5 Professor Popov St., St Petersburg 197376

kratosloaded@mail.ruНьямверуБ.NyamweruB.

Ньямверу Бонифаций – студент Департамента правовой и промышленной метрологии. Сфера научных интересов – оптические метрологические системы.

ул. Биби-Тити-Мохаммед, Дар-эс-Салам, 1968

Boniface Nyamweru, student at the Department of Legal and Industrial Metrology. Area of expertise: optical metrology systems.

Bibi Titi Mohamed St., Dar es Salaam 1968

bonifacenyamweru23@gmail.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationКолледж бизнес-образования CBEТанзанияCollege of Business Education CBEUnited Republic of Tanzania2021301220212465162Copyright © Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А., Ньямверу Б., 20212021Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А., Ньямверу Б.Shevchenko S.Y., Mikhailenko D.A., Nyamweru B.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/578Введение

Введение. В предыдущих публикациях авторами рассматривались частотные характеристики и способы закрепления чувствительных элементов в виде волнового кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах в корпусе из различных материалов, а также влияние внешних факторов на чувствительные элементы. При анализе полученных результатов было замечено, что полоса пропускания достаточно широкая, что может отрицательно сказаться на детектировании сигнала при измерении ускорения с помощью разрабатываемого чувствительного элемента. Возникла необходимость уменьшить полосу пропускания чувствительного элемента за счет изменения конструкции встречноштыревого преобразователя (ВШП). Используя компьютерное моделирование COMSOL Multiphysics, было продемонстрировано несколько вариантов ВШП и показано, что эта цель может быть достигнута изменением геометрии штыря ВШП.

Цель работы

Цель работы. Продемонстрировать оптимальную топологию ВШП с малой полосой пропускания, что влечет за собой улучшение детектирования сигнала при влиянии ускорения на чувствительный элемент.

Материалы и методы

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

Результаты

Результаты. Предложено 9 типов топологий встречно-штыревых преобразователей. Проведены исследования при помощи программного обеспечения COMSOL Multiphysics вышеуказанных типов ВШП на подложках из ниобата лития, выступающего в качестве материала чувствительного элемента, и представлены частотные характеристики. Проведена оценка полученных данных и сделаны выводы об оптимальной конструкции кольцевого резонатора: наиболее эффективной структурой является ВШП с прямоугольными штырями без селективного изъятия.

Заключение

Заключение. Генерация волны в кольцевом резонаторе может быть выполнена при изъятии не более одной пары ВШП на 10 и более периодов. При этом изъятие ВШП должно быть равномерным. При увеличении количества изъятых ВШП нарушается геометрия кольцевого резонатора и волна покидает конструкцию. Наличие общей шины позволяет удерживать поверхностную акустическую волну внутри конструкции ВШП, а сужение периодов к внутренней части конструкции позволяет улучшить частотные характеристики кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах.

Introduction

Introduction. Previous works considered the frequency characteristics and methods for fixing sensitive elements in the form of a wave ring resonator on surface acoustic waves in a housing made of various materials, as well as the influence of external factors on sensitive elements. It was found that the passband in such a case is sufficiently wide, which can affect adversely signal detection when measuring acceleration using the sensitive element under development. Therefore, it has become relevant to reduce the sensitive element’s bandwidth by changing the design of the interdigitated transducer (IDT).

Aim

Aim. To demonstrate an optimal topology for an IDT with a low bandwidth, leading to improved signal detection when acceleration affects the sensitive element.

Materials and methods

Materials and methods. The finite element method and mathematical processing in AutoCAD and in COMSOL Multiphysics.

Results

Results. Nine topologies of IDT are proposed. All these types were investigated using the COMSOL Multiphysics software on lithium niobate substrates, which material acts as a sensitive element. The frequency characteristics are presented. The data obtained allowed an optimal design of the ring resonator to be proposed: an IDT with rectangular pins without selective withdrawal.

Conclusion

Conclusion. Self-generation in a ring resonator can be performed by withdrawing no more than one pair of IDTs for 10 or more periods. In this case, the withdrawal of IDTs should be uniform. With an increase in the number of IDT withdrawals, the geometry of the ring resonator is violated, and the wave leaves the structure. The presence of a shared bus keeps the surface acoustic wave inside the IDT structure, and the narrowing of the periods towards the inner part of the structure makes it possible to improve the frequency characteristics of the ring resonator on surface acoustic waves.

микроэлектромеханические системымикромеханический акселерометрчувствительный элементповерхностные акустические волнывстречно-штыревой преобразовательанизотропные материалыизотропные материалытопологияmicroelectromechanical systemsmicromechanical accelerometersensitive elementsurface acoustic wavesinterdigitated transduceranisotropic materialisotropic materialtopologyРабота выполнена при финансовой поддержке Комитета по науке и высшей школе Санкт-Петербурга в рамках гранта в форме субсидий в сфере научной и научно-технической деятельности.This research was funded by the Committee for Science and Higher Education of St. Peters-burg within the framework of a grant in the form of subsidies in the field of scientific and scientific-technical activities.ReferencesDesign and analysis of a capacitive MEMS accelerometer as a wearable sensor in identifying low-frequency vibration profiles / M. Preeti, K. Guha, K. L. Baishnab, A. S. C. S. Sastry; ed. by G. Dutta, A. Biswas, A. Chakrabarti // Modern Techniques in Biosensors: Detection Methods and Commercial Aspects. Singapore: Springer, 2021. P. 37–61. doi: 10.1007/978-981-15-9612-4_2Preeti M., Guha K., Baishnab K. L., Sastry A. S. C. S. Design and Analysis of a Capacitive MEMS Accelerometer as a Wearable Sensor in Identifying Low-Frequency Vibration Profiles. Modern Techniques in Biosensors: Detection Methods and Commercial Aspects. Ed. by G. Dutta, A. Biswas, A. Chakrabarti. Singapore, Springer, 2021, pp. 37–61. doi: 10.1007/978-981-15-9612-4_2Tang W., Chen C. Motion recognition system of table tennis players based on MEMS sensor // Multimedia Technology and Enhanced Learning. ICMTEL 2021 / ed. by W. Fu, Y. Xu, S.-H. Wang, Y. Zhang. Cham.: Springer, 2021. P. 128–141. doi: 10.1007/978-3-030-82565-2_11Tang W., Chen C. Motion Recognition System of Table Tennis Players Based on MEMS Sensor. Multimedia Technology and Enhanced Learning. ICMTEL 2021. Ed. by W. Fu, Y. Xu, S.-H. Wang, Y. Zhang. Cham, Springer, 2021, pp. 128–141. doi: 10.1007/978-3-030-82565-2_11Laser beam scanning based AR-display applying resonant 2D MEMS mirrors / O. Petrak, F. Schwarz, L. Pohl, M. Reher, C. Janicke, J. Przytarski, F. Senger, J. Albers, T. Giese, L. Ratzmann, P. Blicharski, S. Marauska, T. Wantoch, U. Hofmann // Proc. SPIE. 2021. Vol. 11765. P. 1–18. doi: 10.1117/12.2579695Petrak O., Schwarz F., Pohl L., Reher M., Janicke C., Przytarski J., Senger F., Albers J., Giese T., Ratzmann L., Blicharski P., Marauska S., Wantoch T., Hofmann U. Laser Beam Scanning Based AR-Display Applying Resonant 2D MEMS Mirrors. Proc. SPIE. 2021, vol. 11765, pp. 1–18. doi: 10.1117/12.2579695Single-pixel MEMS imaging systems / G. Zhou, Z. H. Lim, Y. Qi, G. Zhou // Micromachines. 2020. Vol. 11, № 2. P. 219. doi: 10.3390/mi11020219Zhou G., Lim Z. H., Qi Y., Zhou G. Single-Pixel MEMS Imaging Systems. Micromachines. 2020, vol. 11, no. 2, p. 219. doi: 10.3390/mi11020219Kourani A., Yang Y., Gong S. A Ku-band oscillator utilizing overtone lithium niobate RF-MEMS resonator for 5G // IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2020. Vol. 30, № 7. P. 681–684. doi: 10.1109/LMWC.2020.2996961Kourani A., Yang Y., Gong S. A Ku-Band Oscillator Utilizing Overtone Lithium Niobate RF-MEMS Resonator for 5G. IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2020, vol. 30, no. 7, pp. 681–684. doi: 10.1109/LMWC.2020.2996961A MEMS-based multi-parameter integrated chip and its portable system for water quality detection / Z. Wu, J. Wang, C. Bian, J. Tong, S. Xia // Micromachines. 2020. Vol. 11, № 2. P. 63. doi: 10.3390/mi11010063Wu Z., Wang J., Bian C., Tong J., Xia S. A MEMSBased Multi-Parameter Integrated Chip and Its Portable System for Water Quality Detection. Micromachines. 2020, vol. 11, no. 2, p. 63. doi: 10.3390/mi11010063iPhone 12 Pro and iPhone 12 Pro Max – Technical Specifications. URL: https://www.apple.com/uk/iphone-12-pro/specs/ (дата обращения 07.11.2021)iPhone 12 Pro and iPhone 12 Pro Max – Technical Specifications. Available at: https://www.apple.com/uk/iphone-12-pro/specs/ (accessed 07.11.2021)DualSense wireless controller. The innovative new controller for PS5. URL: https://www.playstation.com/engb/accessories/dualsense-wireless-controller/ (дата обращения 07.11.2021)DualSense wireless controller. The innovative new controller for PS5. Available at: https://www.playstation.com/en-gb/accessories/dualsense-wireless-controller/ (accessed 07.11.2021)PlayStation VR. Technical specifications. URL: https://www.playstation.com/en-gb/ps-vr/tech-specs/ (дата обращения 07.11.2021)PlayStation VR. Technical Specifications. Available at: https://www.playstation.com/en-gb/ps-vr/tech-specs/ (accessed 07.11.2021)Momentus 7200.2. Product Overview // Seagate. URL:https://www.seagate.com/docs/pdf/marketing/po_momentus_7200_2.pdf (дата обращения 07.11.2021)Momentus 7200.2. Product Overview. Available at: https://www.seagate.com/docs/pdf/marketing/po_momentus_7200_2.pdf (accessed 07.11.2021)Car DVR camera system: PROTECT 802 (2 channels, GPS, accelerometer). URL: https://www.dipolnet.com/car_dvr_camera_system_protect_802_2_channels_gps_accelerometer__m70802.htm (дата обращения 07.11.2021)Car DVR camera system: PROTECT 802 (2 channels, GPS, accelerometer). Available at: https://www.dipolnet.com/car_dvr_camera_system_protect_802_2_channels_gps_accelerometer__M70802.htm (accessed 07.11.2021)Morgan D., Paige E. G. S. Propagation effects and materials // Surface Acoustic Wave Filters. 2nd ed. Oxford: Academic Press, 2007. P. 87–113. doi: 10.1016/B978-0-12-372537-0.X5000-6Morgan D., Paige E. G. S. Propagation Effects and Materials. Surface Acoustic Wave Filters. 2nd ed. Oxford, Academic Press, 2007, pp. 87–113. doi: 10.1016/B978-0-12-372537-0.X5000-6Physical principles of a piezo accelerometer sensitive to a nearly constant signal / V. Gupalov, A. Kukaev, S. Shevchenko, E. Shalymov, V. Venediktov // Sensors. 2018. Vol. 18, № 10, 3258. P. 1–5. doi: 10.3390/s18103258Gupalov V., Kukaev A., Shevchenko S., Shalymov E., Venediktov V. Physical Principles of a Piezo Accelerometer Sensitive to a Nearly Constant Signal. Sensors. 2018, vol. 18, no. 10, 3258, pp. 1–5. doi: 10.3390/s18103258The effect of a rotating medium on bulk acoustic wave polarization: From theoretical considerations to perspective angular motion sensor design / Y. Durukan, M. Shevelko, A. Peregudov, E. Popkova, S. Shevchenko // Sensors. 2020. Vol. 20, № 9, 2487. P. 1–11. doi: https://doi.org/10.3390/s20092487Durukan Y., Shevelko M., Peregudov A., Popkova E., Shevchenko S. The Effect of a Rotating Medium on Bulk Acoustic Wave Polarization: From Theoretical Considerations to Perspective Angular Motion Sensor Design. Sensors. 2020, vol. 20, no. 9, 2487, pp. 1–11. doi: https://doi.org/10.3390/s20092487Product Finder // PCB Piezotronics. URL: https://www.pcb.com/products/product-finder?tx=15 (дата обращения 07.11.2021)Product Finder. PCB Piezotronics. Available at: https://www.pcb.com/products/product-finder?tx=15 (accessed 07.11.2021)Constantinoiu I., Viespe C. Development of Pd/TiO2 porous layers by pulsed laser deposition for surface acoustic wave H2 gas sensor // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, № 4, 760. P. 1–10. doi: 10.3390/nano10040760Constantinoiu I., Viespe C. Development of Pd/TiO2 Porous Layers by Pulsed Laser Deposition for Surface Acoustic Wave H2 Gas Sensor. Nanomaterials. 2020, vol. 10, no. 4, 760, pp. 1–10. doi: 10.3390/nano10040760Optimization of SAW devices with LGS/Pt structure for sensing temperature / X. Li, W. Wang, S. Fan, Y. Yin, Y. Jia, Y. Liang, M. Liu // Sensors. 2020. Vol. 20, № 9, 2441. P. 1–13. doi: 10.3390/s20092441Li X., Wang W., Fan S., Yin Y., Jia Y., Liang Y., Liu M. Optimization of SAW Devices with LGS/Pt Structure for Sensing Temperature. Sensors. 2020, vol. 20, no. 9, 2441, pp. 1–13. doi: 10.3390/s20092441Water Pressure Monitoring Using a Temperature-compensated WP-SAW pressure sensor / Z. Tang, W. Wu, J. Gao, P. Yang, J. Luo, C. Fu // IEEE 18th Intern. Conf. on Industrial Informatics (INDIN), Warwick, United Kingdom, 20–23 July 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 354–357. doi: 10.1109/INDIN45582.2020.9442222Tang Z., Wu W., Gao J., Yang P., Luo J., Fu C. Water Pressure Monitoring Using a Temperature-Compensated WP-SAW Pressure Sensor. IEEE 18th Intern. Conf. on Industrial Informatics (INDIN). 2020, pp. 354–357. doi: 10.1109/INDIN45582.2020.9442222Shevchenko 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, 141. P. 1–12. doi: 10.3390/electronics8020141Shevchenko 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, 141, pp. 1–12. doi: 10.3390/electronics8020141Shevchenko S. Y., Mikhailenko D. A., Markelov O. A. Comparison of AlN vs. SIO2/LiNbO3 membranes as sensitive elements for the SAW-based acceleration measurement: Overcoming the anisotropy effects // Sensors. 2020. Vol. 20, № 2, 464. P. 1–13. doi: 10.3390/s20020464Shevchenko S. Y., Mikhailenko D. A., Markelov O. A. Comparison of AlN vs. SIO2/LiNbO3 Membranes as Sensitive Elements for the SAW-Based Acceleration Measurement: Overcoming the Anisotropy Effects. Sensors. 2020, vol. 20, no. 2, 464, pp. 1–13. doi: 10.3390/s20020464

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