Компоненты нано- и микросистемной техники Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах
Акселерометры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) представляют собой перспективный класс микроакселерометров фазового и особенно частотного типа, позволяющих реализовать высокий уровень конструктивной интеграции, обеспечить высокую устойчивость к внешним возмущениям, возможность существенного сокращения числа деталей и соединений между ними. Они обеспечивают возможность перекрытия без компенсации широкого рабочего диапазона (до 105 g) при частотной форме выходного сигнала.
Датчики механических величин на ПАВ обычно имеют чувствительные элементы с дифференциальным включением ПАВ - преобразователей. Для получения дифференциальной схемы традиционно используется размещение ПАВ - преобразователей на двух параллельных плоскостях подложки, чтобы преобразователи изменяли свои параметры в равной степени, но с противоположными знаками. Эта конструкция приводит к серьезному усложнению процесса изготовления. В данной статье рассматривается датчик с ПАВ - преобразователями, расположенными на одной рабочей плоскости подложки, что обеспечивает простую в технологическом отношении конструкцию. В этом случае один из ПАВ - преобразователей размещается в зоне, свободной от деформаций.
Принцип действия и основы проектирования микроакселерометра
Твердотельные электронные устройства на ПАВ обычно представляют собой подложку из пьезоэлектрического материала, на одной или нескольких плоских поверхностях которой формируется периодическая встречно - штыревая структура проводящих электродов, предназначенная как для электрического возбуждения ПАВ, так и для их приема (обратного преобразования в электрический сигнал). При деформациях изгиба происходит изменение фазовой скорости ПАВ и шага периодической структуры.
Принцип действия акселерометров на ПАВ заключается в том, что выходной частотный сигнал вырабатывается в результате деформации подложки, на поверхности которой сформирован один или несколько ПАВ - преобразователей. Деформация происходит под действием усилия, создаваемого при ускорении инерционной массы. Обобщенная схема микроакселерометра, где ось чувствительности совпадает с нормалью к плоскости, в которой лежат ПАВ - преобразователи, показана на рис. 2.1.1. Консольная схема с изгибом пластины упругого подвеса имеет достаточно высокую чувствительность, но при этом снижаются жесткость и резонансная частота конструкции. Основным достоинством этой схемы является возможность реализации подвижной системы в интегральном виде. Роль упругого подвеса выполняет подложка с ПАВ - преобразователями. Придавая соответствующую конфигурацию подложке, можно формировать требуемую амплитудно - частотную характеристику (АЧХ) акселерометра.
Консольная схема подвеса дает достаточно высокую линейность и позволяет реализовать простые и высокочувствительные преобразователи на широкий диапазон номинальных нагрузок.
Рис. 16.4.3. Микроакселерометр с частотным выходом.
Микроакселерометр (рис. 16.4.3) представляет собой монолитную квазисимметричную конструкцию из двух консольных балок 1 с инерционными грузами 7 на конце каждой. На поверхности консольных балок 1 располагаются линии задержки (ЛЗ) на основе встречно-штыревых преобразователей (ВШП).
В основу построения чувствительных элементов на ПАВ положена зависимость их скорости от деформации подложки, которая, в свою очередь, зависит от ускорения. Изменение фазовой скорости ПАВ может оцениваться либо по фазовой задержке (пассивная схема), либо по сдвигу частоты генератора с линией задержки в цепи обратной связи (активная схема). Предпочтительными являются автоколебательные схемы с частотным выходом. Практически это схема усилителя с положительной обратной связью. В конечном счете чувствительность микроакселерометра определяется задержкой ПАВ в замедляющей структуре.
Процесс преобразования физической величины в частоту выходного сигнала датчика на поверхностных акустических волнах можно представить в виде последовательности преобразований: измеряемая механическая величина преобразуется в деформацию упругого подвеса чувствительного элемента (пьезоэлектрическая подложка с ПАВ - устройством), что, в свою очередь, вызывает изменение фазочастотной характеристики этого устройства и приводит к изменению частоты колебаний автогенератора, содержащего в цепи образной связи ЛЗ.
В наиболее распространенных линиях с прямолинейной траекторией распространения ПАВ задержка сигнала определяется расстоянием между преобразователями и скоростью распространения ПАВ. Существующий набор материалов для пьезоэлектрических звукопроводов с учетом ограничений на их конечные линейные размеры и скорости распространения ПАВ позволяет оценить достижимые пределы задержки сигнала. Температурные коэффициенты задержки для данных материалов определяют температурную стабильность электрических параметров ЛЗ. В подавляющем большинстве случаев в ЛЗ с фиксированной задержкой сигнала используют неаподизованные входной и выходной преобразователи, полностью идентичные между собой; сквозная АЧХ определяется произведением АЧХ входного и выходного преобразователей.