Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск

Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материале

https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-5-116-129

Полный текст:

Аннотация

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

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. 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. 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.

Об авторах

Д. П. Лукьянов
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Россия

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.



А. М. Боронахин
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Россия

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.



С. Ю. Шевченко
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Россия

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.



М. А. Хиврич
АО "Авро-МКС"
Россия

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. 



Т. А. Амиров
Ташкентский государственный технический университет им. Ислама Каримова
Узбекистан

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. 



Список литературы

1. Mounier E., Troadec C., Girardin G. Status of the MEMS industry 2016. Yole Developpement. Market and Technology report. 2016. 5 p.

2. Mounier E. Status of the MEMS industry 2017. Yole Developpement. Market and Technology report. 2017. 4 p.

3. Mounier E. Status of the MEMS industry 2018. Yole Developpement. Market and Technology report. 2018. 4 p.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Багинский И. Л., Косцов Э. Г. Емкостные МЭМСакселерометры сверхвысоких ускорений // Автометрия. 2017. Т. 53, № 3. С. 107–116.

10. Парфенов Н. М. Аналитические исследования интегральных МЭМС-акселерометров // Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18, № 2. С. 96–109.

11. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Ч. 3. Классификация и анализ базовых рабочих принципов // Компоненты и технологии. 2006. № 2. С. 42–49.

12. Петропавловский Ю. Современные МЭМСпродукты компании AnalogDevices. Ч. 2 // Элементы и компоненты. 2015. № 7. С. 24–29.

13. Сысоева С. МЭМС-технологии. Простое и доступное решение сложных систематических задач // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 7. С. 80–89.

14. Сысоева С. Введение в High-End сегменты применения МЭМС-технологии // Компоненты и технологии. 2010. № 10. С. 15–22.

15. Одинец А. И., Федорова Л. Д. Датчики МЭМС для управления и диагностирования автомобиля // Омский науч. вестн. 2015. № 2. С. 177–179.

16. 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/s16101587

17. Design 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/A5.1

18. Разработка 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.

19. Biryukov S. V., Martin G., Weihnacht M. Ring waveguide resonator on surface acoustic waves // Appl. phys. lett. 2007. Vol. 90, iss. 13. doi: 10.1063/1.2731683

20. Ring 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.

21. Biryukov 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. 5441445

22. Хиврич 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.

23. 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.

24. 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/s18072301

25. Shevchenko 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/electronics8020141


Для цитирования:


Лукьянов Д.П., Боронахин А.М., Шевченко С.Ю., Хиврич М.А., Амиров Т.А. Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материале. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2019;22(5):116-129. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-5-116-129

For citation:


Lukyanov D.P., Boronakhin A.M., Shevchenko S.Y., Khivrich M.A., Amirov T.A. Microaccelerometer on Surface Acoustic Waves with a Ring Resonator on Anisotropic Material. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019;22(5):116-129. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2019-22-5-116-129

Просмотров: 8


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1993-8985 (Print)
ISSN 2658-4794 (Online)