Компенсационный микроэлектромеханический преобразователь ускорения c пьезоэлектрическим чувствительным элементом и оптическим считыванием

Введение. Современные мобильные объекты управления требуют применения высокочувствительных преобразователей параметров движения, например ускорения, с широким диапазоном измерений. Повысить чувствительность к измеряемым параметрам можно используя прецизионные оптические средства, например на основе туннельного эффекта. Однако рабочие диапазоны индуцированных перемещений составляют менее микрометра, что создает трудности позиционирования чувствительного элемента. Для повышения технологичности, расширения диапазона измерений и уменьшения погрешностей преобразователей ускорения с оптическим туннелированием можно использовать компенсационные схемы с активным чувствительным элементом – пьезоэлектрическим актюатором.

Цель работы. Расширение диапазона измерений микроэлектромеханического преобразователя ускорения с помощью комплексного подхода, включающего введение контура компенсации перемещений чувствительного элемента на основе обратного пьезоэлектрического эффекта и детектирование этих перемещений оптическими средствами.

Материалы и методы. Предложен способ компенсации перемещений чувствительного элемента, заключающийся в использовании биморфной пьезоэлектрической пластины в качестве инерционного элемента. Рассмотрено применение оптического считывания субмикрометровых перемещений чувствительного элемента.

Результаты. Разработаны структурная и функциональная схемы компенсационного микрооптоэлектромеханического преобразователя ускорения с биморфным пьезоэлектрическим чувствительным элементом. Исследованы деформации чувствительного элемента под действием ускорений (до 100 м/c²) и компенсационных напряжений, амплитуда которых не превышает единиц вольт, для обеспечения возможности использования оптического туннельного эффекта в предлагаемом преобразователе.

Заключение. Разработана и исследована математическая модель преобразователя, достигнуто увеличение диапазона измерения в 2.5 раза. Показано, что введение компенсирующей обратной связи не сужает разрешенный частотный диапазон измеряемых ускорений.

1. Summary of Research Status and Application of MEMS Accelerometers / W. Niu, L. Fang, L. Xu, X. Li, R. Huo, D. Guo, Z. Qi // J. of Computer and Communications. 2018. Vol. 6, iss. 12. P. 215–221. doi: 10.4236/jcc.2018.612021

2. Programmable synchronization enhanced MEMS resonant accelerometer / L. Xu, S. Wang, Z. Jiang, X. Wei // Microsystems Nanoeng. 2020. Iss. 6. Art. num. 63. doi: 10.1038/s41378-020-0170-2

3. Acceleration sensors: Sensing mechanisms, emerging fabrication strategies, materials, and applications / W. Babatain, S. Bhattacharjee, A. M. Hussain, M. M. Hussain // ACS Appl. Electron. Mater. 2021. Vol. 3, № 2. P. 504–531. doi: 10.1021/acsaelm.0c00746

4. Daeichin M., Miles R. N., Towfighian S. Largestroke capacitive MEMS accelerometer without pull-in // IEEE Sensors J. 2021. Vol. 21, № 3. P. 3097–3106. doi: 10.1109/JSEN.2020.3027270

5. Cascade Synthesis of Observers of Mixed Variables for Flexible Joint Manipulators Tracking Systems under Parametric and External Disturbances / S. A. Krasnova, A. S. Antipov, D. V. Krasnov, A. V. Utkin // Electronics. 2023. Vol. 12, iss. 8. P. 1930. doi: 10.3390/electronics12081930

6. Kokunko Yu. G., Krasnov D. V., Utkin A. V. Two Methods for Synthesis of State and Disturbance Observers for an Unmanned Aerial Vehicle // Automation and Remote Control. 2021. Vol. 82, № 8. P. 1426–1441. doi: 10.1134/S0005117921080099

7. Review of Micromachined Optical Accelerometers: From mg to Sub-μg / Q. Lu, Y. Wang, X. Wang, Y. Yao, X. Wang, W. Huang // Opto-Electron. Adv. 2021. Vol. 4, № 3. P. 200045. doi: 10.29026/oea.2021.200045

8. Sundar S., Gopalakrishna K., Thangadurai N. MOEMS-Based Accelerometer Sensor Using Photonic Crystal for Vibration Monitoring in an Automotive System // Int. J. Comput. Aided Eng. Technol. 2021. Vol. 14, № 2. doi: 10.1504/IJCAET.2021.113546

9. Progress of optomechanical micro/nano sensors: a review / X. Liu, W. Liu, Z. Ren, Y. Ma, B. Dong, G. Zhou, C. Lee // Int. J. Optomechatronics. 2021. Vol. 15, no. 1. P. 120–159. doi: 10.1080/15599612.2021.1986612

10. Zhang Z., Xin C. A Proposal for an Ultracompact Single-Layer MOEMS Accelerometer Based on Evanescent Copling between Parallel Silicon Nanowaveguides // Asia Communications and Photonics Conf. (ACP), Shenzhen, China, 05–08 Nov. 2022. IEEE, 2022. P. 1998–2001. doi: 10.1109/ACP55869.2022.10088753

11. Бусурин В. И., Коробков К. А., Шлеенкин Л. А. Метод "грубо-точного" считывания для преобразователя ускорения с адаптируемым оптическим модулем // Датчики и системы. 2020. № 8. С. 27–34. doi: 10.25728/datsys.2020.8.4

12. Исследование компенсационного преобразователя ускорения с дифференциальным оптическим считыванием / В. И. Бусурин, С. Г. Штек, В. В. Коробков, М. А. Жеглов, К. А. Коробков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2021. № 3. С. 29–38. doi: 10.25791/pribor.3.2021.1247

13. Precision tracking control of a piezoelectricactuated system / J. C. Shen, W. Y. Jywe, H. K. Chiang, Y. L. Shu // Precis. Eng. 2008. Vol. 32, iss. 2. P. 71–78. doi: 10.1016/j.precisioneng.2007.04.002

14. Ballas R. G. Piezoelectric Multilayer Beam Bending Actuators Static and Dynamic Behavior and Aspects of Sensor Integration // Series: Microtechnology and MEMS. Berlin: Springer-Verlag, 2007. 358 p. doi: 10.1007/978-3-540-32642-7

15. Development of a Micro-Gripper Using Piezoelectric Bimorphs / A. M. El-Sayed, A. Abo-Ismail, M. T. El-Melegy, N. A. Hamzaid, N. A. A. Osman // Sensors. 2013. Vol. 13, iss. 5. P. 5826–5840. doi: 10.3390/s130505826