Кварцевое корпусирование микроакселеромтера на поверхностных акустических волнах д.П. Лукьянов, с.Ю. Шевченко, а.С. Кукаев, д.В. Сафронов, е.П. Филиппова

(Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина))

Quartz packaging of a surface acoustic wave-based microaccelerometer. Lukyanov D.P., Shevchenko S.Yu., Kukaev A.S., Safronov D.E., Fillipova E.P.

As a report it was shown that the quartz packaging of SAW-based MMAs is promising. Losses of laser radiation induced by different mediums were estimated, the possibility of topology defect elimination using a laser was shown. The possibility of the topology creation simultaneously on both sides of the sensing element is demonstrated.

МЭМС датчики становятся всё более компактными, дешёвыми, эффективными, интегрированными и надежными. Совершенствуются различные типы акселерометров. Одним из новых типов датчиков является микромеханический акселерометр (ММА) на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Он обладает следующими преимуществами:

• высокая виброустойчивость и ударопрочность (до 65 000 g);

• широкий диапазон измерений (до ±200 g);

• простота изготовления открывает возможность массового производства.

Важным элементом ММА на ПАВ является чувствительный элемент (ЧЭ), схема которого представлена в докладе. В качестве звукопровода используется консоль, выполненная из кристаллического кварца. На каждую из её сторон нанесена топология, которая состоит из встречно-штыревых преобразователей и отражателей, формирущих ПАВ-резонатор. Для увеличения чувствительности на консоли может быть закреплена инерционная масса, выполненная из метала с высокой плотностью. Под воздействием ускорения консоль испытывает деформации изгиба, которые сопровождаются растяжением и сжатием ее противоположных поверхностей. Возникающие деформации приводят к изменению собственных частот резонаторов. На верхней части пластины они увеличиваются как за счет геометрического удлинения консоли, так и за счет уменьшения фазовой скорости ПАВ, вариации которой определяются изменением упругих модулей (их уменьшением). На противоположной стороне имеют место деформации сжатия, которые приводят к противоположному сдвигу собственной частоты резонатора. Следовательно, получаем двухканальную схему, которая соответствует дифференциальному преобразователю частотного типа.

Корпусирование является неотъемлемой частью проектирования и создания ММА на ПАВ. Оно позволяет улучшать как точностные, так и эксплуатационные характеристики акселерометров. На данный момент наиболее широкое распространение получили металлические корпуса, но они имеют несколько недостатков:

• плохая термоизоляция металлических корпусов от окружающей среды;

• после сборки чувствительного элемента корпус запаивается и доступ к элементам схемы ПАВ исключается. Тем самым исключается возможность подстройки.

Большой интерес представляют методы корпусирования с использованием оптически прозрачных материалов (кварца, ситалла). Такие методы допускают воздействие лазерного излучения для устранения технологических дефектов и открывается возможность подстройки частоты ПАВ резонатора

При рассмотрении возможности кварцевого корпусирования ММА на ПАВ были созданы компьютерные модели различных корпусов. При помощи метода конечных элементов был произведен расчет влияния ускорения на ЧЭ. В результате были получены распределения деформаций и внутренних напряжений для разных моделей кварцевых и металлических корпусов.

В докладе рассматриваются методы грубой и точной подстройки частоты корпусированного резонатора ПАВ, которые можно реализовать при помощи лазерного излучения. Для оценки расфокусировки луча и потерь его мощности, вызванных прохождением через различные среды, был произведен ряд экспериментов. Их результаты показали большую перспективность таких методов и подробно рассматриваются в докладе.

Особое внимание уделяется инновационному методу одновременного нанесения топологии на обе стороны консоли при помощи лазерного излучения. Описываются основные источники погрешности при использовании предлагаемых методов.