Abstract

Propunem utilizarea membranelor din nitrură de aluminiu (AlN) care acționează ca elemente sensibile pentru măsurarea accelerației pe bază de undă acustică de suprafață (SAW). Soluția propusă este comparată cu prototipurile existente bazate pe utilizarea membranelor de cuarț (SiO2)/niobat de litiu (LiNbO3) care se caracterizează prin proprietăți anizotrope extinse. Folosind simulările pe computer COMSOL Multiphysics 5.4, am arătat în mod explicit că elementele sensibile bazate pe membrane AlN mai puțin anizotrope depășesc atât limitele de sensibilitate scăzute ale SiO2, cât și stabilitatea la temperatură scăzută a LiNbO3. Mai mult, membranele AlN prezintă o rezistență aproape dublă împotriva deformărilor mecanice ireversibile în comparație cu SiO2, ceea ce permite la rândul său o îmbunătățire suplimentară a sensibilității de 1,5 ori față de senzorii bazați pe LiNbO3. Având în vedere caracteristicile lor de frecvență acceptabile, credem astfel că membranele AlN sunt un bun candidat pentru elemente sensibile, în special pentru măsurători de accelerație ridicată.

1. Introducere

De-a lungul secolului al XX-lea, proiectele de accelerometre convenționale au fost caracterizate prin greutate și dimensiune excesive, împiedicându-le astfel utilizarea pe scară largă. Odată cu avansarea tehnologiilor microelectronice, dimensiunile senzorilor ar putea fi reduse drastic, prezentând în același timp o precizie și o robustețe mecanică considerabil mai scăzute. Puterea torsiunilor utilizate în senzorii sistemelor microelectromecanice convenționale (MEMS) este sever limitată, ducând la incapacitatea lor de a rezista la suprasarcini cauzate de accelerație excesivă și/sau forțe mecanice externe.

Senzorii pe bază de unde acustice de suprafață (SAW), deși sunt mai puțin dezvoltați până în prezent, oferă o alternativă rezonabilă și în mare măsură promițătoare. Dezvoltările recente bazate pe construcții monolitice în stare solidă se caracterizează printr-o stabilitate relativ ridicată a parametrilor, un consum redus de energie (0,5-1 W) [1]. Deși accelerometrele micromecanice (MMA) bazate pe SAW sunt încă în curs de dezvoltare, senzorii SAW disponibili comercial sunt folosiți pe scară largă în alte aplicații, de la medicină și siguranță vieții la dispozitive fără pilot exemplificate de analizori de vapori și gaze [2,3,4], controlul temperaturii sisteme [5,6], precum și sisteme de detectare a presiunii [7].

Una dintre cerințele cheie pentru avansarea ulterioară a MMA-urilor bazate pe SAW și a dispozitivelor similare este găsirea de noi materiale piezoelectrice pentru consola cu element sensibil (SE) care ar putea depăși limitările tipice ale prototipurilor existente [8,9,10,11].

Foarte recent [12] am sugerat un design MMA bazat pe SAW bazat pe un SE de tip inel pentru a depăși dezavantajele SE-urilor dreptunghiulare [13,14] și triunghiulare [15] datorită distribuției mai uniformă a sarcinii pe suprafața SE. În acest studiu curent extindem constatările noastre anterioare către (i) optimizarea atașamentului SE în carcasă, (ii) găsirea celui mai bun material pentru perspectiva de proiectare SE în funcție de caracteristicile sale de frecvență, precum și (iii) estimarea impactul potențial al influențelor externe, cum ar fi accelerația excesivă și temperaturile asupra SE, evaluate prin simulări pe computer folosind pachetul software COMSOL Multiphysics.

2. Proiectarea elementelor sensibile

Vederea generală a elementului sensibil la membrană este prezentată în Figura 1. Modelul a fost proiectat în software-ul AutoCAD 2019 cu importul ulterior al modelului în COMSOL Multiphysics 5.4 din cauza capacităților limitate ale editorului CAD al acestuia. Rezonatorul este format din două traductoare inter-digitale în formă de inel (IDT) (1) și cristal piezoelectric situat între traductoare (2). Întreaga structură este limitată atât în ​​adâncime, cât și în rază de un mediu de amortizare pentru a suprima reflexiile parazitare ale undelor de la limitele exterioare.

Comparație între

Element sensibil la membrană. Vedere generala (A) și vedere frontală (b): 1: consolă; 2: locuință; 3: traductor inter-digital.

Designul IDT este prezentat în Figura 2. Caracteristicile generale inițiale ale IDT sunt preluate din cercetare [16,17]. Conform calculelor, lungimea perioadei IDT în centrul inelului este de 18,5 µm la o perioadă unghiulară a traductorului egală cu θp = 1 ° și înălțimea h = 0,2 µm. Luând această valoare pentru lungimea de undă și considerând că SAW-urile se atenuează la o adâncime de aproximativ trei lungimi de undă, înălțimea structurii va fi de 8 lungimi de undă. Trebuie remarcat faptul că nitrura de aluminiu este un material de film și utilizarea sa ca material piezoelectric necesită depunere. Depunerea de AlN se produce în principal pe cuarț. Grosimea cuarțului pentru depunerea de AlN trebuie să fie de cel puțin 3 lungimi de undă. Pentru rezultate convenabile, se compară aceleași caracteristici generale ale modelului, astfel încât înălțimea totală a consolei va fi de 12 lungimi de undă sau 222 µm pentru toate materialele utilizate în acest articol. Raza consolei este de 1500 µm.