Оптимизация конструкции встречно-штыревого преобразователя кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах

Введение. В предыдущих публикациях авторами рассматривались частотные характеристики и способы закрепления чувствительных элементов в виде волнового кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах в корпусе из различных материалов, а также влияние внешних факторов на чувствительные элементы. При анализе полученных результатов было замечено, что полоса пропускания достаточно широкая, что может отрицательно сказаться на детектировании сигнала при измерении ускорения с помощью разрабатываемого чувствительного элемента. Возникла необходимость уменьшить полосу пропускания чувствительного элемента за счет изменения конструкции встречноштыревого преобразователя (ВШП). Используя компьютерное моделирование COMSOL Multiphysics, было продемонстрировано несколько вариантов ВШП и показано, что эта цель может быть достигнута изменением геометрии штыря ВШП.

Цель работы. Продемонстрировать оптимальную топологию ВШП с малой полосой пропускания, что влечет за собой улучшение детектирования сигнала при влиянии ускорения на чувствительный элемент.

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

Результаты. Предложено 9 типов топологий встречно-штыревых преобразователей. Проведены исследования при помощи программного обеспечения COMSOL Multiphysics вышеуказанных типов ВШП на подложках из ниобата лития, выступающего в качестве материала чувствительного элемента, и представлены частотные характеристики. Проведена оценка полученных данных и сделаны выводы об оптимальной конструкции кольцевого резонатора: наиболее эффективной структурой является ВШП с прямоугольными штырями без селективного изъятия.

Заключение. Генерация волны в кольцевом резонаторе может быть выполнена при изъятии не более одной пары ВШП на 10 и более периодов. При этом изъятие ВШП должно быть равномерным. При увеличении количества изъятых ВШП нарушается геометрия кольцевого резонатора и волна покидает конструкцию. Наличие общей шины позволяет удерживать поверхностную акустическую волну внутри конструкции ВШП, а сужение периодов к внутренней части конструкции позволяет улучшить частотные характеристики кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах.

1. Design and analysis of a capacitive MEMS accelerometer as a wearable sensor in identifying low-frequency vibration profiles / M. Preeti, K. Guha, K. L. Baishnab, A. S. C. S. Sastry; ed. by G. Dutta, A. Biswas, A. Chakrabarti // Modern Techniques in Biosensors: Detection Methods and Commercial Aspects. Singapore: Springer, 2021. P. 37–61. doi: 10.1007/978-981-15-9612-4_2

2. Tang W., Chen C. Motion recognition system of table tennis players based on MEMS sensor // Multimedia Technology and Enhanced Learning. ICMTEL 2021 / ed. by W. Fu, Y. Xu, S.-H. Wang, Y. Zhang. Cham.: Springer, 2021. P. 128–141. doi: 10.1007/978-3-030-82565-2_11

3. Laser beam scanning based AR-display applying resonant 2D MEMS mirrors / O. Petrak, F. Schwarz, L. Pohl, M. Reher, C. Janicke, J. Przytarski, F. Senger, J. Albers, T. Giese, L. Ratzmann, P. Blicharski, S. Marauska, T. Wantoch, U. Hofmann // Proc. SPIE. 2021. Vol. 11765. P. 1–18. doi: 10.1117/12.2579695

4. Single-pixel MEMS imaging systems / G. Zhou, Z. H. Lim, Y. Qi, G. Zhou // Micromachines. 2020. Vol. 11, № 2. P. 219. doi: 10.3390/mi11020219

5. Kourani A., Yang Y., Gong S. A Ku-band oscillator utilizing overtone lithium niobate RF-MEMS resonator for 5G // IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2020. Vol. 30, № 7. P. 681–684. doi: 10.1109/LMWC.2020.2996961

6. A MEMS-based multi-parameter integrated chip and its portable system for water quality detection / Z. Wu, J. Wang, C. Bian, J. Tong, S. Xia // Micromachines. 2020. Vol. 11, № 2. P. 63. doi: 10.3390/mi11010063

7. iPhone 12 Pro and iPhone 12 Pro Max – Technical Specifications. URL: https://www.apple.com/uk/iphone-12-pro/specs/ (дата обращения 07.11.2021)

8. DualSense wireless controller. The innovative new controller for PS5. URL: https://www.playstation.com/engb/accessories/dualsense-wireless-controller/ (дата обращения 07.11.2021)

9. PlayStation VR. Technical specifications. URL: https://www.playstation.com/en-gb/ps-vr/tech-specs/ (дата обращения 07.11.2021)

10. Momentus 7200.2. Product Overview // Seagate. URL:https://www.seagate.com/docs/pdf/marketing/po_momentus_7200_2.pdf (дата обращения 07.11.2021)

11. Car DVR camera system: PROTECT 802 (2 channels, GPS, accelerometer). URL: https://www.dipolnet.com/car_dvr_camera_system_protect_802_2_channels_gps_accelerometer__m70802.htm (дата обращения 07.11.2021)

12. Morgan D., Paige E. G. S. Propagation effects and materials // Surface Acoustic Wave Filters. 2nd ed. Oxford: Academic Press, 2007. P. 87–113. doi: 10.1016/B978-0-12-372537-0.X5000-6

13. Physical principles of a piezo accelerometer sensitive to a nearly constant signal / V. Gupalov, A. Kukaev, S. Shevchenko, E. Shalymov, V. Venediktov // Sensors. 2018. Vol. 18, № 10, 3258. P. 1–5. doi: 10.3390/s18103258

14. The effect of a rotating medium on bulk acoustic wave polarization: From theoretical considerations to perspective angular motion sensor design / Y. Durukan, M. Shevelko, A. Peregudov, E. Popkova, S. Shevchenko // Sensors. 2020. Vol. 20, № 9, 2487. P. 1–11. doi: https://doi.org/10.3390/s20092487

15. Product Finder // PCB Piezotronics. URL: https://www.pcb.com/products/product-finder?tx=15 (дата обращения 07.11.2021)

16. Constantinoiu I., Viespe C. Development of Pd/TiO2 porous layers by pulsed laser deposition for surface acoustic wave H2 gas sensor // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, № 4, 760. P. 1–10. doi: 10.3390/nano10040760

17. Optimization of SAW devices with LGS/Pt structure for sensing temperature / X. Li, W. Wang, S. Fan, Y. Yin, Y. Jia, Y. Liang, M. Liu // Sensors. 2020. Vol. 20, № 9, 2441. P. 1–13. doi: 10.3390/s20092441

18. Water Pressure Monitoring Using a Temperature-compensated WP-SAW pressure sensor / Z. Tang, W. Wu, J. Gao, P. Yang, J. Luo, C. Fu // IEEE 18th Intern. Conf. on Industrial Informatics (INDIN), Warwick, United Kingdom, 20–23 July 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 354–357. doi: 10.1109/INDIN45582.2020.9442222

19. 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, 141. P. 1–12. doi: 10.3390/electronics8020141

20. Shevchenko S. Y., Mikhailenko D. A., Markelov O. A. Comparison of AlN vs. SIO2/LiNbO3 membranes as sensitive elements for the SAW-based acceleration measurement: Overcoming the anisotropy effects // Sensors. 2020. Vol. 20, № 2, 464. P. 1–13. doi: 10.3390/s20020464