Оптимальный габаритный параметр кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах

Введение. В предыдущих работах авторами рассматривались частотные характеристики чувствительных элементов из различных материалов в виде кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах, способы их закрепления в корпусе, влияние внешних факторов на чувствительные элементы и оптимальная топология встречно-штыревого преобразователя кольцевого резонатора. На следующем этапе возникла необходимость исследования зависимости чувствительности и максимально испытываемого ускорения от габаритов чувствительного элемента, а также анализа характеристик изготовленных экспериментальных образцов и сравнения их с результатами моделирования.
Цель работы. Определение оптимальных габаритов чувствительного элемента кольцевого резонатора и подтверждение адекватности моделей сравнением характеристик экспериментальных образцов с данными, полученными в результате компьютерного моделирования. Материалы и методы. Применение метода конечных элементов и математическая обработка в AutoCAD и COMSOL Multiphysics.
Результаты. Предложено 3 габаритных размера чувствительного элемента кольцевого резонатора: 1500, 3000 и 4500 мкм. При помощи программного обеспечения COMSOL Multiphysics исследованы габаритные размеры чувствительных элементов из ниобата лития: частота резонанса для образца 1500 мкм составила 207.99 МГц, для образца 3000 мкм – 104.10 МГц и для образца 4500 мкм – 68.99 МГц. Было установлено, что максимально испытываемое ускорение для консоли с радиусом 1500 мкм составляет 191 132g, для радиуса 3000 мкм – 84 958g и для радиуса 4500 мкм – 37 514g. Представлены графики зависимости максимального ускорения и чувствительности от отношения радиуса консоли к ее высоте. Подтверждена адекватность модели: частота резонанса для экспериментального образца 1500 мкм составила 218.17 МГц (расхождение с компьютерным моделированием 4.67 %), для образца 3000 мкм – 109.23 МГц (4.69 %) и для образца 4500 мкм – 72.88 МГц (5.34 %).
Заключение. Чувствительность и максимальное выдерживаемое ускорение чувствительного элемента кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах прямо зависит от отношения радиуса консоли к ее высоте, причем чем выше чувствительность, тем ниже ускорение. Для каждого материала данные зависимости уникальны. Размер шины встречно-штыревого преобразователя слабо влияет на частотные характеристики. Ранее представленное компьютерное моделирование удалось подтвердить экспериментальными образцами с расхождением частот резонанса менее, чем 5.5 %.

1. Nitride-based materials for flexible MEMS tactile and flow sensors in robotics / C. Abels, V. M. Mastronardi, F. Cuido, T. Dattoma, A. Qualtieri, W. M. Megill, M. De Vittorio, F. Rizzi // Sensors. 2017. Vol. 17, № 5. P. 1080. doi:10.3390/s17051080

2. Shock-induced aluminum nitride based MEMS energy harvester to power a leadless pacemaker / N. Jackson, O. Z. Olszewski, C. O'Murchu, A. Mathewson // Sensors and Actuators A: Physical. 2017. Vol. 264. P. 212–218. doi:10.1016/j.sna.2017.08.005

3. Sheikh S. A., Naidu H. A Novel Robotics and MEMS Artificial Intelligence based Train Safety Device // 2nd Intern. Conf. on Smart Electronics and Communication (ICOSEC). Piscataway: IEEE, 2021. P. 1–5. doi:10.1109/ICOSEC51865.2021.9591761

4. A multi-source early warning system of MEMS based wireless monitoring for rainfall-induced landslides / Z. Yang, W. Shao, J. Qiao, D. Huang, H. Tian, X. Lei, T. Uchumura // Applied Sciences. 2017. Vol. 7, № 12. P. 1234. doi:10.3390/app7121234

5. 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. von Wantoch, U. Hofmann // Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) II. 2021. Vol. 11765. P. 15–32. doi:10.1117/12.2579695

6. Invisible experience to real-time assessment in elite tennis athlete training: Sport-specific movement classification based on wearable MEMS sensor data / M. Wu, R. Wang, Ya. Hu, M. Fan, Yu. Wang, Ya. Li, Sh. Wu // Proc. of the Institution of Mechanical Engineers, Part P: J. of Sports Engineering and Technology. 2021. P. 17543371211050312. doi:10.1177/17543371211050312

7. Сысоева С. Автомобильные акселерометры. Ч. 2. Автомобильные акселерометры – ключевые фигуры систем безопасности и комфорта // Компоненты и технологии. 2005. Т. 9. URL: https://kite.ru/sensor/avtomobilnye-akselerometry-chast-2/ (дата обращения 21.08.2022)

8. Apple Watch Series 8 // Apple Inc. URL: https://www.apple.com/uk/apple-watch-series-8/ (дата обращения 20.09.2022)

9. iPhone 14 Pro and 14 Pro Max – Technical Specifications // Apple Inc. URL: https://www.apple.com/uk/iphone-14-pro/specs/ (дата обращения 20.09.2022)

10. DualSense wireless controller. The innovative new controller for PS5 // PlayStation. URL: https://www.playstation.com/en-gb/accessories/dualsensewireless-controller/ (дата обращения 21.08.2022)

11. Mavic 3 – Характеристики // DJI. URL: https://www.dji.com/ru/mavic-3/specs (дата обращения 21.08.2022)

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. Доберштейн С. А., Гончаров И. В. Микроакустика: техника ПАВ и ОАВ в АПОИ. Влияние МЭМС-технологий на АПОИ // Радиотехника, Электроника и Связь (" РЭиС-2011"), Омск, 05–08 июля 2011 г. / Омский научно-исследовательский ин-т приборостроения. Омск, 2011. С. 403–411.

14. Multi-mode love-wave SAW magnetic-field sensors / Ju. Schmalz, A. Kittmann, Ph. Durdaut, B. Spetzler, F. Faupel, M. Hoft, E. Quandt, M. Gerken // Sensors. 2020. Vol. 20, № 12. P. 3421. doi:10.3390/s20123421

15. High-temperature SAW resonator sensors: Electrode design specifics / S. A. Zhgoon, A. S. Shvetsov, S. A. Sakharov, O. Elmazria // IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. 2018. Vol. 65, № 4. P. 657–664. doi:10.1109/TUFFC.2018.2797093

16. Advances in SAW-based gas sensors / C. Caliendo, P. Verardi, E. Verona, A. D'amico, C. Di Natale, G. Saggio, M. Serafini, R. Paolesse, S. E. Huq // Smart materials and structures. 1997. Vol. 6, № 6. P. 689. doi:10.1088/0964-1726/6/6/005

17. Properties of SAW vibration sensors applicable in the field of power engineering / A. A. Merkulov, S. A. Zhgoon, A. S. Shvetsov, N. A. Belyankin // 3rd Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE). Piscataway: IEEE, 2021. P. 1–5. doi:10.1109/REEPE51337.2021.9388033

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

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

20. Shevchenko S. Y., Khivrich M. A., Markelov O. A. Ring-shaped sensitive element design for acceleration measurements: Overcoming the limitations of angular-shaped sensors // Electronics. 2019. Vol. 8, № 2. P. 141. doi:10.3390/electronics8020141

21. 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. P. 464. doi:10.3390/s20020464

22. Shevchenko S. Y., Mikhailenko D. A. Topological Optimization of Circular SAW Resonators: Overcoming the Discreteness Effects // Sensors. 2022. Vol. 22, № 3. P. 1172. doi:10.3390/s22031172