Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материале

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.

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