Loading...

Определен самый перспективный материал для акустических микроакселерометров
Jared Sagoff/University of Chicago/PxHere

Исследователи из Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» смоделировали работу микроакселерометров (датчиков ускорения) на поверхностных акустических волнах с мембранами из трех разных материалов. Расчеты показали, что наиболее надежный и чувствительный прибор можно изготовить из пленочного нитрида алюминия. Результаты исследования опубликованы в журнале «Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника». 

Акселерометр — датчик ускорения — необходим во многих системах, от навигационных модулей самолетов и подлодок до смартфонов и других гаджетов. В первых акселерометрах ускорение измерялось по сжатию пружины, к которой подвешивался груз. Этот принцип с закрепленной подвижной массой используется и в современных датчиках, но уже в микроскопическом масштабе. Однако во многих устройствах, например промышленных роботах, навигационная система должна быть не только компактной, но и очень устойчивой к ударам, вибрации и большому ускорению. Обеспечить эти качества при значительной чувствительности прибора можно с помощью акселерометров на поверхностных акустических волнах. Такие волны распространяются по поверхности твердых тел, и в случае материалов-пьезоэлектриков, электрические поля в которых реагируют на механические воздействия, их можно зафиксировать. Для этого мембрану из пьезоэлектрика соединяют с устройствами-преобразователями механических волн в акустические.

В существующих акустических акселерометрах используются мембраны из кварца и ниобата лития. Это работающие, но неоптимальные материалы: первый недостаточно чувствителен, а второй нестабилен при изменениях температуры. Чтобы найти им альтернативу, физики из ЛЭТИ смоделировали чувствительные элементы для акселерометров из нитрида алюминия в программном пакете COMSOL Multiphysics. В этом инструменте материалу можно задавать любые механические и электрические свойства и «испытывать» модели в различных условиях. Ученые смоделировали круглые мембраны, с нанесенными на них кольцевыми преобразователями и защищенные плотным корпусом, из нитрида алюминия и для сравнения — из кварца и из ниобата лития. Общий диаметр спроектированных чувствительных элементов всего 3 мм, а толщина мембран — 0,22 мм.

Для начала исследователи проверили, какой способ закрепления мембраны в корпусе будет оптимальным. Моделирование показало, что предпочтительнее использовать тонкий слой силиконового клея — если мембрану просто вставлять в корпус, нагрузка распределяется по ней неравномерно, сосредотачиваясь в зоне крепления. Это снижает чувствительность датчика. Поэтому при дальнейших расчетах использовалась модель с клеевым закреплением. Физики смоделировали поведение прибора при ускорении в десятки, сотни и тысячи раз большем, чем ускорение свободного падения (равно 9,81 м/с2). При любых значениях мембрана из нитрида алюминия сместится меньше, чем из кварца или ниобата лития, а значит, датчик продолжит эффективно работать. Самым важным преимуществом этого материала оказались сравнительно малые потери энергии. Однако акселерометр с чувствительным элементом из нитрида алюминия будет сильнее реагировать на температурное воздействие, чем датчик с кварцевой мембраной.

«Результаты компьютерного моделирования позволяют сделать вывод, что нитрид алюминия — перспективный материал для чувствительных элементов акустических акселерометров, особенно для измерения больших значений ускорения. Его устойчивость к механическим деформациям вдвое выше, чем у кварца, что позволяет повысить чувствительность в 1,5 раза. Основным ограничением остаются, как и при использовании ниобата лития, перепады температуры», — резюмировал один из исследователей, доцент кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Сергей Шевченко.