Шевченко Сергей Юрьевич – кандидат технических наук (2007), доцент (2013) кафедры лазерных измерительных и навигационных систем. Автор более 80 научных публикаций. Сфера научных интересов – микросенсоры навигационных систем.
197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф
Sergey Yu. Shevchenko, Cand. Sci. (2007), Associate Professor (2013) at the Department of Laser Measurement and Navigation Systems. The author of more than 80 scientific publications. Area of expertise: microsensors of navigation systems.
197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F
Михайленко Денис Андреевич – аспирант кафедры лазерных измерительных и навигационных систем. Автор 6 научных работ. Сфера научных интересов – микромеханические системы навигации и компьютерное моделирование физических процессов.
197022, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 5 Ф
Denis A. Mikhailenko, Postgraduate student of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems. The author of 6 scientific publications. Area of expertise: micromechanical navigation systems and computer simulation of physical processes.
197022, St Petersburg, Professor Popov St., 5 F
Введение. В предыдущих работах авторами рассматривались частотные характеристики чувствительных элементов из различных материалов в виде кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах, способы их закрепления в корпусе, влияние внешних факторов на чувствительные элементы и оптимальная топология встречно-штыревого преобразователя кольцевого резонатора. На следующем этапе возникла необходимость исследования зависимости чувствительности и максимально испытываемого ускорения от габаритов чувствительного элемента, а также анализа характеристик изготовленных экспериментальных образцов и сравнения их с результатами моделирования.Цель работы. Определение оптимальных габаритов чувствительного элемента кольцевого резонатора и подтверждение адекватности моделей сравнением характеристик экспериментальных образцов с данными, полученными в результате компьютерного моделирования. Материалы и методы. Применение метода конечных элементов и математическая обработка в AutoCAD и COMSOL Multiphysics.Результаты. Предложено 3 габаритных размера чувствительного элемента кольцевого резонатора: 1500, 3000 и 4500 мкм. При помощи программного обеспечения COMSOL Multiphysics исследованы габаритные размеры чувствительных элементов из ниобата лития: частота резонанса для образца 1500 мкм составила 207.99 МГц, для образца 3000 мкм – 104.10 МГц и для образца 4500 мкм – 68.99 МГц. Было установлено, что максимально испытываемое ускорение для консоли с радиусом 1500 мкм составляет 191 132g, для радиуса 3000 мкм – 84 958g и для радиуса 4500 мкм – 37 514g. Представлены графики зависимости максимального ускорения и чувствительности от отношения радиуса консоли к ее высоте. Подтверждена адекватность модели: частота резонанса для экспериментального образца 1500 мкм составила 218.17 МГц (расхождение с компьютерным моделированием 4.67 %), для образца 3000 мкм – 109.23 МГц (4.69 %) и для образца 4500 мкм – 72.88 МГц (5.34 %).Заключение. Чувствительность и максимальное выдерживаемое ускорение чувствительного элемента кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах прямо зависит от отношения радиуса консоли к ее высоте, причем чем выше чувствительность, тем ниже ускорение. Для каждого материала данные зависимости уникальны. Размер шины встречно-штыревого преобразователя слабо влияет на частотные характеристики. Ранее представленное компьютерное моделирование удалось подтвердить экспериментальными образцами с расхождением частот резонанса менее, чем 5.5 %.
Introduction. In previous works, the authors considered the frequency characteristics of sensitive elements made of various materials in the form of a ring resonator on surface acoustic waves (SAW), along with their fixing methods in the housing, the influence of external factors, and an optimal topology of the interdigital transducer of the ring resonator. Further, the need arose to study the dependence of the sensitivity of the sensitive element and the maximum acceleration load on its dimensions, as well as to analyze the characteristics of the manufactured experimental samples in comparison with the simulated values.Aim. To determine optimal dimensions of the sensitive element of a ring resonator and to confirm the adequacy of the constructed models by comparing the characteristics of experimental samples with those obtained by computer simulation.Materials and methods. The theoretical part of the research was carried out using the finite element method. Mathematical processing was implemented in AutoCAD and COMSOL Multiphysics.Results. Three overall dimensions of the sensitive element of a ring resonator were proposed: 1500, 3000 and 4500 µm. The characteristics of sensitive elements made of lithium niobate with the above dimensions were studied. Thus, the resonance frequency for 1500, 3000 and 4500 µm samples comprised 207.99, 104.10 and 68.99 MHz, respectively. The maximum acceleration experienced by a cantilever with a radius of 1500, 3000 and 4500 µm was found to be 191 132, 84 958 and 37 514g, respectively. Dependence graphs of the maximum acceleration and sensitivity on the ratio of the radius of the console to its height are presented. The adequacy of the constructed model was confirmed, i. e., the resonance frequency for 1500, 3000 and 4500 µm experimental samples comprised 218.17 MHz (4.67 % discrepancy with computer simulation), 109.23 MHz (4.69 %) and 72.88 MHz (5.34 %), respectively.Conclusion. The sensitivity and maximum acceleration load of the sensitive element of a SAW ring resonator directly depends on the ratio of the cantilever radius to its height, with higher sensitivity values correlating to lower values of maximum acceleration load. For each material, these dependencies are unique. The interdigital transducer bus size has little effect on the frequency response. The previously presented simulations were confirmed by experimental samples with a difference in resonance frequencies of less than 5.5 %.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.