УДК 004.942, 531.383

А. С. КУКАЕВ, М. А. ХИВРИЧ, С. Ю. ШЕВЧЕНКО1

(Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет)

МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ ДЛЯ СВЕРХ БОЛЬШИХ УСКОРЕНИЙ

В работе приводятся результаты моделирования чувствительного элемента на поверхностных акустических волнах для сверхбольших ускорений в программном обеспечении OOFELIE::Multiphysics. Оценена выходная характеристика и рассчитаны масштабные коэффициенты.

Введение

Перспективы развития современных измерительных приборов связаны с созданием устройств нового поколения – легких, компактных, дешевых, и в тоже время, сохраняющих свою целевую функцию с заданной точностью. В настоящее время технология микроэлектромеханических систем является одним из самых перспективных в 21 веке. На основе МЭМС создают датчики ориентации и навигации. Микромеханические акселерометры широко используются во многих областях жизни и деятельности человека.

На сегодняшний день область высокодинамичных объектов, испытывающих перегрузки до 45 000 g, остро нуждается в инерциальных чувствительных элементах, удовлетворяющих высоким требованиям по вибро - и ударопрочности [1]. Решением подобной задачи является применение методов молекулярной кинетики, реализуемых в датчиках на поверхностных акустических волнах (ПАВ).

Сверхбольшие ускорения задают жесткие условия для эксплуатации микроакселерометров. Чувствительный элемент (ЧЭ) выполняет весьма ответственную роль, являясь одновременно и звукопроводом, и частью преобразователей ПАВ. Выбор материала и размера чувствительного элемента осуществляется на одном из первых этапов проектирования устройств на ПАВ, т. к. от их значений зависят технические характеристики устройств. Стремясь найти оптимальную форму ЧЭ для выполнения заданных условий, было проведено моделирование консоли.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Модель чувствительного элемента

В программном пакете OOFELIE::Multiphysics было проведено исследование, найдены оптимальная форма и размеры консоли. Для того, чтобы ЧЭ выдерживал высокие нагрузки, было решено отказаться от инерционной массы, жестко закрепить консоль с двух сторон и сделать ее на одну десятую миллиметра толще [2]. Как известно, предел прочности кварца на растяжение составляет 100 МПа, учитывая это, конструкция и размеры моделируемой консоли выбиралась с учетом 30% запаса предельной прочности кварца. Таким образом, в расчетную программу были заложены требуемые параметры материала (таблица 1) и построена конечно-элементная сетка с применением прямоугольных конечных элементов с шагом 0,01 мм (рис.1).

Рис.1. Размеры консоли микроакселерометра.

В итоге, была построена модель ЧЭ которая представлена на рис.2. Конструкция симметрична.

а)                                         б)

Рис.2. а) Модель чувствительного элемента и б) ее конструктивное решение в корпусе.

Т а б л и ц а 1

Консоль

Инерционная масса

Материал

Кварц

Сплав ВНМ

Плотность, кг/м3

2 649

18 000

Модуль Юнга, ГПа

58

350

Коэффициент Пуассона

0.23

0.29

После того как все параметры были заданы, прикладывались воздействия ускорений значением в несколько тысяч g пока не было доказано, что данная консоль выдерживает нагрузку в 45 000 (рис. 3 и рис. 5). На рис. 4 и рис. 6 приведены графики, по которым видно, что при воздействии 45 000 g деформация консоли составляет 7,9 мкм и максимальное напряжение, возникающее в местах крепления ЧЭ, составляет чуть менее 7Ч107 Па. Такая нагрузка, не является предельной, не разрушает ЧЭ и не выводит акселерометр из строя.

Рис. 3. Поле перемещений чувствительного элемента микроакселерометра при действии ускорения 45 000 g.

Рис.4. Максимальная деформация консоли при воздействии ускорения 45 000 g

Рис. 5. Поле напряжений чувствительного элемента микроакселерометра при действии ускорения 45 000 g.

Рис. 6. Распределение напряжений вдоль длины консоли.

Выходная характеристика ММА

Была найдена нижняя граница чувствительности. Для этого был написан скрипт, который рассчитывал воздействие на модель от 0 до 45 000 g с шагом 50 g. С учётом нелинейных эффектов был получен график зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения (рис 7). Известно, что нижняя граница чувствительности определяется как воздействие, вызывающее сигнал, в три раза превосходящее уровень шумов2.

Рис. 7. График зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения.

Среднеквадратическое отклонение шумов составило 0,07 кГц, то есть, минимальный сигнал должен превышать 0,21 кГц [2]. С использованием AccSq. sfield, который вычисляет среднее значение относительно деформаций, по середине консоли составило 3 мм. Этому значению изменения частоты выходного сигнала соответствует приложенное ускорение 50 g. Т. е. наша консоль выдерживает нагрузки и сохраняет свою чувствительность на диапазоне от 50 до 45 000 g.

Для того чтобы оценить чувствительность консоли по ортогональным осям X и Y были рассчитаны масштабные коэффициенты и построены графики зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения (рис.8 и рис.9).

Масштабный коэффициент по оси X:

Масштабный коэффициент по оси Y:

Рис. 8.1 График зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения по оси X.

Рис. 9. График зависимости изменения частоты выходного сигнала от ускорения по оси Y.

Анализ графиков зависимостей изменения частоты выходного сигнала от ускорения по ортогональным осям и масштабные коэффициенты говорят о низкой перекрестной чувствительности.

Заключение

Установлено, что микроакселерометр с конструкцией ЧЭ без инерционной массы может выдерживать без разрушения воздействия ускорения в 45 000 g. Приведенный микроакселерометр выдерживает нагрузки и сохраняет свою чувствительность в диапазоне от 50 до 45 000 g. При этом, следует отметить, что чувствительность по ортогональным осям является незначительной.

ЛИТЕРАТУРА

1.        Precise Robust Inertial Guidance for Munitions (PRIGM):Advanced Inertial Micro Sensors (AIMS), Microsystems Technology Office, DARPA-BAA-15-38, May 29, 2015

2.        Разработка и оптимизация схемы построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах (Часть 1) // и др. – Санкт-Петербург, Гироскопия и навигация, 2005. – № 2 (49), С.79–95.


Текст доклада согласован с научным руководителем.


Научный руководитель к. т.н., доцент СПбГЭТУ «ЛЭТИ»



/ /


1         Научный руководитель к. т.н., доцент

2         По рекомендации IUPAC