Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах с кольцевым резонатором на анизотропном материале

Introduction. Diagnostic systems are designed to monitor the condition of operational components (for example, on the railway). It is imperative that micro-electromechanical systems (MEMS) equipped with acceleration sensors (accelerometers) be used as part of measuring diagnostic systems. It is known that accelerometers are operated under increased vibration and repeated shock loads. This imposes a limitation both on the accelerometer design and the properties of materials from which these devices are produced.Aim. To develop a micromechanical accelerometer (MMA) for surface acoustic waves (SAW), capable of measuring shock effects.Materials and methods. The theoretical part of the study was carried out using the mathematical theory of differential equations, theoretical mechanics, finite element analysis and elements of SAW theory. In the course of the work, the following methods of mathematical processing were applied: MATLAB, Mathcad, Maple, COMSOL Multiphysics, OOFELIE: Multiphysics, Bluehill3 software, CorelDRAW. Experimental studies were also conducted using the INSTRON 5985 floor automated test system.Results. An original design of MMA on a SAW capable of measuring shock effects in hundreds of g was proposed. A sensing element (SE) of the sensor was developed. An analysis of the plate materials for their use as part of the SAW-based MMA design showed that SE from the quartz ST-cut material has a wider range of measured accelerations and a higher sensitivity threshold than SE from the YX-128˚ cut-off lithium niobate material. Requirements were developed to increase the SE sensitivity threshold. Design requirements were developed, and an interdigital transducer (IDT) topology in the form of a ring resonator was proposed. The following output characteristics were assessed: sensitivity threshold, dynamic range and scale factor. In addition, a procedure was developed for calculating MMA on a SAW with a ring resonator on an anisotropic material. It was found that the developed SE is characterized by a high sensitivity threshold, a wide dynamic range and a low transverse sensitivity.Conclusion. The technique proposed for designing a sensing element for use in solid-state linear acceleration sensors facilitates, depending on technical requirements, selection of construction materials and sensor design. Due to the originality of the design and engineering solutions, the proposed accelerometer allows measurements to be carried out across a wide range of impact loads.Введение. Состояние объектов эксплуатации (например, на железной дороге) контролируется системами диагностики. В их составе используются микроэлектромеханические системы, комплектуемые датчиками ускорения (акселерометрами). В процессе эксплуатации акселерометры подвергаются значительным вибрациям и многократно повторяющимся ударным воздействиям. Это накладывает ограничения на конструкцию и материалы, из которых изготавливаются акселерометры.Цель работы. Разработка микромеханического акселерометра (ММА) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), способного измерять ударные воздействия.Материалы и методы. Теоретическая часть работы выполнялась с применением математической теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, конечно-элементарного анализа и элементов теории ПАВ. В ходе работы применялась математическая обработка в программах MATLAB, Mathcad, Maple, COMSOL Multiphysics, OOFELIE::Multiphysics, ПО Bluehill3, CorelDRAW. Экспериментальные исследования проведены с привлечением напольной автоматизированной испытательной системы INSTRON 5985.Результаты. Разработана концепция построения и предложена оригинальная конструкция ММА на ПАВ, способного измерять ударные воздействия в сотни g. Разработан чувствительный элемент (ЧЭ) сенсора. Анализ материалов для пластин в составе конструкции ММА на ПАВ показал, что ЧЭ из кварца ST-среза отличается более широким диапазоном измеряемых ускорений и более высоким порогом чувствительности, чем ЧЭ из ниобата лития среза YX-128°. Выработаны требования и исследована возможность повышения порога чувствительности датчика. Сформулированы требования к проектированию и предложена топология встречно-штыревого преобразователя (ВШП) в виде кольцевого резонатора. Предложена оригинальная топология резонатора с неэквидистантным ВШП для учета анизотропии материала чувствительного элемента. Оценены выходные характеристики: порог чувствительности, динамический диапазон, масштабный коэффициент. Предложена методика расчета ММА на ПАВ с кольцевым резонатором на анизотропном материале. ЧЭ ММА такой конструкции имеет высокий порог чувствительности, широкий динамический диапазон и малую поперечную чувствительность.Заключение. Предложенная методика проектирования ЧЭ твердотельного датчика линейных ускорений позволяет выбрать материал и систему съема измерительной информации в зависимости от технических требований. Благодаря оригинальности конструкторско-технологического решения предложенный акселерометр позволяет проводить измерения в широком диапазоне ударных воздействий

Design of a Piezoelectric Accelerometer with High Sensitivity and Low Transverse Effect

In order to meet the requirements of cable fault detection, a new structure of piezoelectric accelerometer was designed and analyzed in detail. The structure was composed of a seismic mass, two sensitive beams, and two added beams. Then, simulations including the maximum stress, natural frequency, and output voltage were carried out. Moreover, comparisons with traditional structures of piezoelectric accelerometer were made. To verify which vibration mode is the dominant one on the acceleration and the space between the mass and glass, mode analysis and deflection analysis were carried out. Fabricated on an n-type single crystal silicon wafer, the sensor chips were wire-bonged to printed circuit boards (PCBs) and simply packaged for experiments. Finally, a vibration test was conducted. The results show that the proposed piezoelectric accelerometer has high sensitivity, low resonance frequency, and low transverse effect