Preview

Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника

Расширенный поиск

Выбор материала чувствительных элементов акселерометров на основе ПАВ

https://doi.org/10.32603/1993-8985-2020-23-6-70-83

Полный текст:

Аннотация

Введение. Датчики на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) являются стремительно развивающимся направлением и перспективной заменой классических датчиков, особенно в тех сферах, где длительная работоспособность последних под вопросом. Принцип работы датчиков на ПАВ основан на акустических колебаниях, поэтому выбор пьезоэлектрического материала консоли с учетом внешних влияний на будущее устройство и его условий работы является важнейшей задачей. Синтезировано и создано множество монокристаллических структур и их срезов для устройств на поверхностных акустических волнах. Основными материалами, применяемыми для изготовления подложек, являются кристаллы кварца (SiO2), ниобата лития (LiNbO3), танталата лития (LiTaO3) и пленочный нитрид алюминия (AlN). Производятся новые кристаллические структуры: лангасит (La3Ga5SiO14), лангатат (La3Ga5.5Ta0.5O14), ланганит и др. Проблема применения подобных материалов для изготовления консолей – отсутствие систематизированных данных о важных характеристиках для распространения ПАВ, к примеру тензора упругости 4-го ранга. Чтобы преодолеть указанный недостаток, предложена конструкция микромеханического акселерометра на основе ПАВ, основанного на мембранном ЧЭ для более равномерного распределения нагрузки по поверхности ЧЭ. Одна из ключевых проблем для дальнейшего развития датчиков на основе ПАВ - одностороннее закрепление прямоугольных и треугольных чувствительных элементов (ЧЭ) в корпусе датчика.

Цель работы. Показать преимущества использования AlN как материала чувствительного элемента кольцевого волнового резонатора на поверхностных акустических волнах.

Материалы и методы. Применение метода конечных элементов и математическая обработка в AutoCAD 2019 и COMSOL Multiphysics 5.4.

Результаты. Предложено использовать AlN в качестве материала чувствительного элемента для измерения ускорения на основе ПАВ. Предлагаемое решение сравнивалось с существующими прототипами, основанными на использовании мембран SiO2/LiNbO3, которые характеризуются сильными анизотропными свойствами. Создана 3D-модель ЧЭ кольцевого волнового резонатора на поверхностных волнах. Используя компьютерное моделирование и программное обеспечение COMSOL Multiphysics доказано, что конструкция способна выдерживать воздействия свыше 10 000 g и чувствительный элемент на основе изотропного AlN преодолевает ограничения как низкой чувствительности SiO2, так и малой температурной стабильности LiNbO3. AlN демонстрирует почти двойную устойчивость к необратимым механическим деформациям по сравнению с SiO2, что, в свою очередь, позволяет дополнительно повысить чувствительность в 1.5 раза по сравнению с датчиками на основе кварца.

Заключение. Исходя из созданной модели, можно сделать вывод о перспективности использования нитрида алюминия как материала для чувствительного элемента, особенно для измерения больших значений ускорения, но c ограничениями по температурной чувствительности материала.

Об авторах

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. Автор более 80 научных публикаций. Сфера научных интересов – микросенсоры навигационных систем. 

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



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

Михайленко Денис Андреевич – аспирант (2019) кафедры ЛИНС. Сфера научных интересов – микромеханические системы навигации и компьютерное моделирование физических процессов. 

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



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

Дмитрий Павлович Лукьянов – доктор технических наук (1974), профессор (1979) кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС). Заслуженный деятель науки РФ (1996). Автор более 200 научных публикаций. Сфера научных интересов – лазерная гироскопия. 

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



Список литературы

1. Днепровский В. Г., Карапетьян Г. Я. Устройства на поверхностных акустических волнах. Р. н/д: Изд-во Южного федерального ун-та, 2014. 186 C.

2. Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для измерения параметров газовых и жидких сред / Г. Я. Карапетьян, В. Г. Днепровский, С. А. Багдасарян, А. С. Багдасарян, А. Л. Николаев, Е. М. Кайдашев // Инженерный вестн. Дона. 2012. Т. 20, № 2. C. 186–190.

3. Thiele J. A., Da Cunha M. P. High temperature LGS SAW gas sensor // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Vol. 113, № 2. P. 816–822. doi: 10.1016/J.SNB.2005.03.071

4. Development of a SAW gas sensor for monitoring SO2 gas / Y. J. Lee, H. B. Kim, Y. R. Roh, H. M. Cho, S. Baik // Sensors and Actuators A: Physical. Nov. 1998. Vol. 64, № 2. P. 173–178. doi: 10.1016/s0924-4247(98)80011-3

5. Кронидов Т. В., Калинин В. А. Беспроводной пассивный датчик температуры на ПАВ-метке // Вопросы радиоэлектроники. 2012. Т. 1, № 1. С. 115–123.

6. SAW temperature sensor with mirror topology / I. Antcev, S. Bogoslovsky, G. Sapozhnikov, S. Zhgoon, A. Shvetsov // European Frequency and Time Forum (EFTF), IEEE, Apr. 2018. P. 101–104. doi: 10.1109/eftf.2018.8409008

7. GaN membrane supported SAW pressure sensors with embedded temperature sensing capability / A. Müller, G. Konstantinidis, I. Giangu, G. C. Adam, A. Stefanescu, A. Stavrinidis, G. Stavrinidis, A. Kostopoulos, G. Boldeiu, A. Dinescu // IEEE Sensors J. 2017. Vol. 17, № 22. P. 7383–7393. doi: 10.1109/JSEN.2017.2757770

8. Irzhak D., Roshchupkin D. Measurement of independent piezoelectric moduli of Ca3NbGa3Si2O14, La3Ga5.5Ta0.5O14 and La3Ga5SiO14 single crystals // J. of Applied Crystallography. 2018. Vol. 51, № 4. P. 1174–1181. doi: 10.1107/s1600576718009184

9. A high sensitive SH-SAW biosensor based 36° YX black LiTaO3 for label-free detection of Pseudomonas Aeruginosa / J. Ji, Ch. Yang, F. Zhang, Zh. Shang, Y. Xu, Y. Chen, M. Chen, X. Mu // Sensors and Actuators B: Chemical. 2019. Vol. 281. P. 757–764. doi: 10.1016/j.snb.2018.10.128

10. Maskay A., Ayes A., da Cunha M. P. Stability of Pt/Al2O3-based electrode langasite SAW sensors with Al2O3 capping layer and yttria-stabilized zirconia sensing layer // IEEE Intern. Ultrasonics Symp. (IUS), IEEE, Sep. 2017. P. 1–4. doi: 10.1109/ultsym.2017.8092442

11. Peculiar Properties of Phase Transitions in Na0.5Bi0.5TiO3-0.06BaTiO3 Lead-free Relaxor Ferroelectrics Seen Via Acoustic Emission / E. Dul'kin, J. Tiagunova, E. Mojaev, M. Roth // Functional Materials Letters. 2017. Т. 10, № 4. P. 1750048. doi: 10.1142/S1793604717500485

12. Shevchenko 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, № 2. 141 p. doi: 10.3390/electronics8020141

13. Micromechanical accelerometers based on surface acoustic waves / D. Lukyanov, S. Shevchenko, A. Kukaev, E. Filippova, D. Safronov // In Proc. of the NORCHIP 2014 32nd Conf.: The Nordic Microelectronics Event, Tampere, Finland, 7–28 Oct. 2014. P. 1–4. doi: 10.1109/NORCHIP.2014.7004701

14. Microaccelerometer based on surface acoustic waves / D. Lukyanov, S. Shevchenko, A. Kukaev, E. Filippova, D. Safronov // In Proc. of the 2014 Symp. on Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications, Beijing, China, 30 Oct. – 2 Nov. 2014. P. 18–21. doi: 10.1109/SPAWDA.2014.6998515

15. Surface-acoustic-wave sensor design for acceleration measurement / S. Shevchenko, A. Kukaev, M. Khivrich, D. Lukyanov // Sensors. 2018. Vol. 18, № 7. P. 2301. doi: 10.3390/s18072301

16. 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. Appl. Phys. 2009. Vol. 106, № 12. P.126103. doi: 10.1063/1.3272027

17. Biryukov S. V., Schmidt H., Weihnacht M. Singlemode ring waveguide resonator on SAW // Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2010. P. 2099–2102. doi: 10.1109/ultsym.2010.5935471


Для цитирования:


Шевченко С.Ю., Михайленко Д.А., Лукьянов Д.П. Выбор материала чувствительных элементов акселерометров на основе ПАВ. Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2020;23(6):70-83. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2020-23-6-70-83

For citation:


Shevchenko S.Yu., Mikhailenko D.A., Lukyanov D.P. Selection of the Material for the Sensitive Elements of SAW-based Accelerometers. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020;23(6):70-83. (In Russ.) https://doi.org/10.32603/1993-8985-2020-23-6-70-83

Просмотров: 277


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


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