Сорвина Мария Александровна – аспирантка кафедры лазерных измерительных и навигационных систем,
ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.
Maria A. Sorvina, Postgraduate Student of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems,
5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.
Кукаев Александр Сергеевич – кандидат технических наук (2016), и. о. заведующего кафедрой прикладной механики и инженерной графики, доцент кафедры лазерных измерительных и навигационных систем,
ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.
Alexander S. Kukaev, Cand. Sci. (2016), Head of the Department of Applied Mechanics and Engineering Graphics, Associate Professor of the Department of Laser Measurement and Navigation Systems,
5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.
Введение. В современном мире датчики ускорения востребованы в сферах от пользовательской электроники до космической техники. Микроакселерометры обладают достоинствами в виде компактных габаритов, малой массы, простоты интеграции с другими компонентами. Наиболее распространены акселерометры на микроэлектромеханических системах. Однако, ввиду хрупкости упругих подвесов, они обладают низкой ударопрочностью, что не позволяет применять их на высокодинамичных объектах, обладающих ускорениями до 50 000 g. Авторами предлагается использовать микроакселерометры на поверхностных акустических волнах, представляющие собой твердотельные монолитные конструкции, способные выдерживать высокие ударные нагрузки. В предыдущих работах была предложена концепция концентрической формы электродов, обладающей более высокой энергоэффективностью по сравнению с линейными конструкциями. Тем не менее, такую форму сложно подключить к электрической схеме, так как нет возможности подвести шины напрямую. Поэтому в данной статье описываются и моделируются 5 альтернативных методов подключения чувствительного элемента.
Цель работы. Выбрать оптимальный с точки зрения сохранения целостности электродов и минимального влияния на распространение поверхностных акустических волн способ подключения чувствительного элемента микроакселерометра.
Материалы и методы. Моделирование методом конечных элементов в программе Comsol Multiphysics.
Результаты. Предложены и проанализированы 5 способов подключения: навесной монтаж; удаление сектора электродов; заливка металлом отверстий в электродах и подложке; протягивание проводов через отверстия в подложке; выведение контактных шин по боковой грани. Проведено компьютерное моделирование. Представлены графики амплитудно-частотной характеристики.
Заключение. Из рассмотренных способов подключения чувствительного элемента наиболее целесообразным представляется метод № 3 с отверстиями в электродах и выведением контактов на нижнюю сторону подложки, так как график амплитудно-частотной характеристики практически совпадает с характеристикой датчика без подключений (образцового). Направление будущих исследований – создание опытного образца и проведение с ним испытаний в лабораторных условиях.
Introduction. At present, acceleration sensors are in demand in various areas, from consumer electronics to space technology. Microaccelerometers exhibit the advantages of compact dimensions, light weight, and ease of integration with other components. The most common accelerometers are based on microelectromechanical systems. However, due to the fragility of elastic suspensions, these devices are characterized by low impact resistance, which impedes their application in highly dynamic objects with accelerations of up to 50 000 g. The authors propose to use microaccelerometers based on surface acoustic waves, which are solid-state monolithic structures capable of withstanding high shock loads. Previous work has proposed the concept of concentric electrodes, which are more energy efficient compared to linear designs. However, concentric elements are difficult to connect to the electrical circuit, due to the impossibility of connecting the busbars directly. Therefore, the authors describe and simulate five alternative methods for connecting the sensing element of such devices.
Aim. To select an optimal method for connecting the sensing element of microaccelerometers from the standpoint of maintaining the integrity of the electrodes and ensuring minimal influence on the propagation of surface acoustic waves.
Materials and methods. Finite element simulation in the COMSOL Multiphysics software.
Results. Five connection methods, including point-to-point wiring, removing the electrode sector, filling holes in the electrodes and substrate with metal, pulling wires through holes in the substrate and bringing out contact bars along the side face, were proposed and analyzed. Computer simulation was carried out. Graphs of the amplitude-frequency characteristic are presented.
Conclusion. Among the considered methods for connecting the sensing element, the most appropriate seems to be method No. 3, which implies holes in the electrodes and contacts on the bottom side of the substrate. Here, the graph of the amplitude-frequency characteristic practically coincides with that of the sensor without connections (reference). Future work will focus on creating a prototype and its experimental testing.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.