Способы подключения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах с концентрической формой электродов

Введение. В современном мире датчики ускорения востребованы в сферах от пользовательской электроники до космической техники. Микроакселерометры обладают достоинствами в виде компактных габаритов, малой массы, простоты интеграции с другими компонентами. Наиболее распространены акселерометры на микроэлектромеханических системах. Однако, ввиду хрупкости упругих подвесов, они обладают низкой ударопрочностью, что не позволяет применять их на высокодинамичных объектах, обладающих ускорениями до 50 000 g. Авторами предлагается использовать микроакселерометры на поверхностных акустических волнах, представляющие собой твердотельные монолитные конструкции, способные выдерживать высокие ударные нагрузки. В предыдущих работах была предложена концепция концентрической формы электродов, обладающей более высокой энергоэффективностью по сравнению с линейными конструкциями. Тем не менее, такую форму сложно подключить к электрической схеме, так как нет возможности подвести шины напрямую. Поэтому в данной статье описываются и моделируются 5 альтернативных методов подключения чувствительного элемента.

Цель работы. Выбрать оптимальный с точки зрения сохранения целостности электродов и минимального влияния на распространение поверхностных акустических волн способ подключения чувствительного элемента микроакселерометра.

Материалы и методы. Моделирование методом конечных элементов в программе Comsol Multiphysics.

Результаты. Предложены и проанализированы 5 способов подключения: навесной монтаж; удаление сектора электродов; заливка металлом отверстий в электродах и подложке; протягивание проводов через отверстия в подложке; выведение контактных шин по боковой грани.  Проведено компьютерное моделирование. Представлены графики амплитудно-частотной характеристики.

Заключение. Из рассмотренных способов подключения чувствительного элемента наиболее целесообразным представляется метод № 3 с отверстиями в электродах и выведением контактов на нижнюю сторону подложки, так как график амплитудно-частотной характеристики практически совпадает с характеристикой датчика без подключений (образцового). Направление будущих исследований – создание опытного образца и проведение с ним испытаний в лабораторных условиях.

1. Marek J. MEMS for automotive and consumer electronics // IEEE Intern. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), Francisco, USA, 07–11 Feb. 2010. IEEE, 2010. doi: 10.1109/ISSCC.2010.5434066

2. Khorgade M. P., Gaidhane A. Applications of MEMS in Robotics and BioMEMS // UkSim 13th Intern. Conf., Cambridge, UK, 30 March–01 Apr. 2011. IEEE, 2011. doi: 10.1109/UKSIM.2011.106

3. Panescu D. MEMS in medicine and biology // IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2006. Vol. 25, iss. 5. P. 19–28. doi: 10.1109/MEMB.2006.1705742

4. Application of MEMS accelerometer to geophysics / Takao Aizawa, Toshinori Kimura, Toshifumi Matsuoka, Tetsuya Takeda, Youichi Asano // Intern. J. of the JCRM. 2009. Vol. 4, iss. 2. P. 33–36. doi: 10.11187/ijjcrm.4.33

5. MEMS Sensors for Automotive Applications: A Review / G. Bhatt, K. Manoharan, P. S. Chauhan, Sh. Bhattacharya // Sensors for Automotive and Aerospace Applications. Springer, Singapore, 2019. P. 223– 229. doi: 10.1007/978-981-13-3290-6_12

6. Пешехонов В. Г. Перспективы развития гироскопии // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 2 (109). С. 3–10. doi: 10.17285/0869-7035.0028

7. Классификация акселерометров и сферы применения. URL: https://inelso.ru/library/statyi/klassifikatsiya-akselerometrov-i-sfery-primeneniya/ (дата обращения 14.02.2024)

8. Лукьянов Д. П., Лучинин В. В., Скворцов В. Ю. Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах // Микросистемная техника. 2001. № 2. С. 3–7.

9. Micro rate gyroscopes based on surface acoustic waves / D. Lukyanov, S. Shevchenko, A. Kukaev, A. Ivanov, R. Telichkin // NORCHIP. Tampere, Finland, 27–28 Oct. 2014. IEEE, 2014. doi: 10.1109/NORCHIP.2014.7004702

10. Structural Design of MEMS Acceleration Sensor Based on PZT Plate Capacitance Detection / Min Cui, Senhui Chuai, Yong Huang, Yang Liu, Jian Li // Micromachines. 2023. Vol. 14, iss. 8. P. 1565. doi: 10.3390/mi14081565

11. Балышева О. Л. Акустоэлектронная компонентная база // Журн. радиоэлектроники. 2014. № 6. С. 1–28.

12. Секреты высокой точности. URL: https://topwar.ru/78855-sekrety-vysokoy-tochnosti.html (дата обращения 14.02.2024)

13. Никонова Г. С., Аржанов В. А. Исследование характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах // Омский науч. вестн. 2012. № 3. С. 331–334.

14. Шевченко С. Ю., Михайленко Д. А., Ньямверу Б. Оптимизация конструкции встречноштыревого преобразователя кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2021. Т. 24, № 6. С. 51–62. doi: 10.32603/1993-8985-2021-24-6-51-62

15. Шевченко С. Ю., Михайленко Д. А. Оптимальный габаритный параметр кольцевого резонатора на поверхностных акустических волнах // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 2. С. 89–100. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-2-89-100

16. Сорвина М. А. Исследование концентрической топологии для применения в чувствительных элементах инерциальных датчиков на поверхностных акустических волнах // ХXIV конф. молодых ученых "Навигация и управление движением", Санкт-Петербург, 15–18 марта 2022 г. С. 217–219.

17. Sorvina M. A. Concentric Topology for Sensitive Elements of Surface Acoustic Wave Devices // Seminar on Microelectronics, Dielectrics and Plasmas (MDP), St Petersburg, Russia, 20 Nov. 2023. IEEE, 2023. doi: 10.1109/MDP60436.2023.10424262