Исследователи СПбГЭТУ «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.

«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», – рассказал доцент кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Сергей Юрьевич Шевченко.

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, научная группа кафедры лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в составе профессора Дмитрия Павловича Лукьянова, доцента Сергея Юрьевича Шевченко и аспиранта Дениса Андреевича Михайленко смоделировала 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.