Лазерное формирование структур навигационных сенсоров на поверхностных акустических волнах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат наук Сафронов Даниил Валерьевич

• Сафронов Даниил Валерьевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Сафронов Даниил Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Концепции построения навигационных сенсоров на ПАВ и методы их производства

1.1 Обзор рынка современных микромеханических навигационных сенсоров

1.2 Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах

1.3. Концепции построения навигационных сенсоров на ПАВ со сложными топологиями

1.3.1 ТМГ на ПАВ с цилиндрическим звукопроводом

1.3.2 ТМГ на стоячих ПАВ

1.3.3 ТМГ на ПАВ с двумя линиями задержки

1.3.4 ТМГ на ПАВ с двумя линиями задержки и матрицей инерционных масс

1.3.5 ТМГ на ПАВ с двойным преобразованием

1.4 Методы оценки характеристик навигационных сенсоров на ПАВ

1.4.1 Компьютерное моделирование

1.4.2 Технологии производства опытных макетов навигационных сенсоров на ПАВ

1.4.2.1 Метод электронолитографии

1.4.2.2 Метод рентгенолитографии

1.4.2.3 Метод фотолитографии

1.4.2.4 Метод лазерного формирования поверхностных структур

1.5. Выводы к Главе

Глава 2. Перспективы применения лазерных технологий для создания навигационных сенсоров на ПАВ

2.1 Выбор лазерного излучателя

2.2 Теплофизический анализ нагревания металлизации

2.3 Основные источники погрешностей метода формирования поверхностных структур

2.3.1 Неравномерность распределения интенсивности излучения в поперечном сечении пучка

2.3.2. Изменение плотности светового потока во времени

2.3.3 Теплоотвод в подложку

2.3.4 Температурная зависимость поглощательной способности пленки

2.3.5 Остывание пленок

2.3.6 Адгезия пленки к подложке

2.3.7 Неравномерность прогрева по толщине пленочного слоя

2.3.8 Перекрытие лазерных импульсов в ходе движения луча

2.4 Боковой теплоотвод в пленку. Методическая погрешность лазерного нанесения топологии

2.5 Компьютерное моделирования предельной точности метода лазерного нанесения топологии

2.6 Выводы по Главе

Глава 3. Компьютерное моделирование и изготовление чувствительных элементов ТМГ на ПАВ с использованием лазерной техники

3.1. Описание экспериментальной установки

3.2 Подготовка к эксперименту

3.2.1 Выбор звукопровода

3.2.2 Расчет параметров линии задержки ПАВ с алюминиевым напылением

3.2.3 Чертёж в графическом редакторе

3.2.4 Расчёт режимов работы лазера

3.2.5 Изготовление и испытание линии задержки ПАВ с алюминиевым напылением

3.3 Изготовление линии задержки ПАВ с медным напылением

3.3.1 Расчет линии задержки ПАВ

3.3.2 Испытания линии задержки ПАВ с медным напылением

3.4 Создание чувствительного элемента твердотельного микрогироскопа на ПАВ

3.5 Исследование частотных характеристик чувствительного элемента прототипа ТМГ на ПАВ

3.6 Исследование зависимости энергетических потерь от шероховатости обработанной лазером поверхности звукопровода

3.7 Компьютерное моделирование ТМГ на ПАВ

3.8 Выводы по Главе

Заключение

Обозначения и сокращения Список литературы

133

134

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерное формирование структур навигационных сенсоров на поверхностных акустических волнах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. С каждым годом находится все больше областей применения различных микроэлектромеханических систем (МЭМС). И сегодня они очень широко используются в бытовой электронике: мобильных телефонах, видеоиграх, смартфонах, робототехнике, а также в других портативных устройствах и навигационных приборах. Рынок мобильных гаджетов является основной движущей силой для МЭМС. Вместе с тем выделяется особый класс навигационных и измерительных сенсоров, которые применяются в медицине, оборонной промышленности и др. К таким сенсорам предъявляются жесткие требования к вибро- и ударопрочности датчиков (перегрузки до 65000g и угловые скорости 100000°/с), которые не могут достигаться их классическими аналогами. Это связано с наличием у микромеханических акселерометров (ММА) и микромеханических гироскопов (ММГ) чувствительного элемента (ЧЭ), закрепленного на упругих подвесах (торсионах). Следует признать перспективным использование сенсоров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в основе которых лежит молекулярная кинетика твердого тела. В результате, за счет отсутствия в их конструкции подвижных частей, достигаются экстремальные показатели вибро- и ударопрочности. В настоящее время ведутся исследования по улучшению эксплуатационных характеристик датчиков на ПАВ.

Вместе с тем, в силу сложности поверхностных структур чувствительных элементов твердотельных микрогироскопов (ТМГ) на ПАВ существенно затруднена аналитическая оценка их точностных характеристик. Данная проблема решается за счет использования компьютерного моделирования и изготовления макетов. При этом, опытные образцы датчиков на ПАВ производятся сегодня методом фотолитографии, который является малорентабельным при единичном и мелкосерийном производстве.

Компьютерное моделирование позволяет проводить эксперименты, в ходе которых на компьютерную модель могут быть поданы виртуальные

воздействия (например, вращение с определенной скоростью, нагрев и т. д.). Такой подход позволяет оценить существующие концепции построения датчиков, и как следствие, провести их виртуальные испытания и выработать рекомендации по оптимизации поверхностных структур. Однако, полученные результаты могут не в полной мере отражать характеристики реального устройства. В результате, присутствует необходимость в натурном макетировании.

Для снижения временных и финансовых затрат при единичном и мелкосерийном производстве опытных образцов ТМГ на ПАВ актуально использовать метод лазерного формирования поверхностных структур ЧЭ, в основе которого лежит проекционное нанесение изображения. При этом, появляется возможность моментальной коррекции топологий и их быстрое нанесение с минимальным количеством инструметальных технологических операций. Предлагаемый метод позволит существенно быстрее и дешевле изготовить различные макеты ТМГ на ПАВ для натурных испытаний и определения их точностных характеристик.

Цель работы - оценка точностных характеристик ТМГ на ПАВ и разработка способов их улучшения с использованием лазерной техники. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

• Оценка возможности использования метода лазерного формирования структур чувствительных элементов ТМГ на ПАВ.

• Обоснование материала напыления и расчет методических погрешностей лазерного формирования поверхностных структур.

• Макетирование чувствительных элементов навигационных сенсоров на ПАВ со сложными топологиями.

• Компьютерное моделирование чувствительного элемента ТМГ на ПАВ и оценка его характеристик.

• Оценка влияния технологических погрешностей изготовления навигационных сенсоров на их точностные характеристики.

Методы исследований. Решение поставленных задач основано на использовании основных положений акустоэлектроники, операционного исчисления, компьютерного моделирования, элементов теории взаимодействия лазерного излучения с веществом, а также метода наименьших квадратов. Для оценки адекватности использованных режимов лазера применялось натурное моделирование.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Достижение толщины инерционных масс до 10 мкм позволяет на порядок повысить масштабный коэффициент ТМГ на ПАВ.

2. Нелинейность выходной характеристики твердотельного микрогироскопа с перекрестными резонаторами и матрицей инерционных масс не превышает 0,1% на всем диапазоне измерений.

3. Характер радиального изменения температуры вблизи теплового пятна при лазерном формировании структур ЧЭ не зависит от типа напыления.

4. Методическая погрешность формирования геометрии элементов топологии зависит только от разницы температур кипения и плавления металла.

В процессе проведения исследования получены новые научные результаты:

• Метод расчета погрешности лазерного формирования структур навигационных сенсоров на ПАВ, необходимый для выработки требований к опытным макетам твердотельных микрогироскопов;

• Метод предварительной оценки выходных параметров твердотельных микрогироскопов на ПАВ и их связь с технологическими погрешностями изготовления сенсоров.

Практическая ценность работы:

• Рассматриваемый метод изготовления сложных поверхностных структур делает рентабельным не только массовое производство чувствительных элементов на ПАВ, но также производство единичных (опытных) образцов;

• Использование метода лазерного формирования поверхностных структур упрощает натурное моделирования навигационных сенсоров на ПАВ, что существенно ускоряет процесс разработки их новых концепций;

• Гибкость производства ТМГ на ПАВ при помощи лазерной техники позволит в полной мере изучить эффекты различной физической природы, возникающие в их многокомпонентных чувствительных элементах.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации использованы при проведении работ в рамках НИР ГЗП/ЛИНС-Ш в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем. Помимо этого, рассматриваемый метод успешно прошел внедрение в производственные процессы по созданию элементов Пельтье в фирме «Российские материалы и технологии» (РМТ), Нижний Новгород.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах, среди которых:

• SPIE/COS Photonics Asia 2016, Пекин, Китай, 2016

• SPIE Security+ Defence 2016, Прага, Чехия, 2016

• 2016 International Conference Laser Optics, Санкт-Петербург, Россия, 2016

• SPIE Optical Sensors 2017, Брюссель, Бельгия, 2017

• SPIE Photonics Europe 2018, Strasbourg, France, 2018

• XX КМУ «Навигация и управление движением» 2018, С-Пб, Россия, 2018

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 27 публикациях, среди которых 7 статей в ведущих

рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 7 -в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1) Lukyanov D. et al. State of the art and prospects for the development of SAW-based solid-state gyros //Gyroscopy and Navigation. - 2011. - Т. 2. - №2. 4. -С. 214-221.

2) Лукьянов Д.П., Шевченко С.Ю., Кукаев А.С., Сафронов Д.В. Анализ концепций построения твердотельных микрогироскопов на поверхностных акустических волнах //Нано- и микросистемная техника №7, 2011 с. 24-28;

3) Лукьянов Д.П. и др. Современное состояние и перспективы развития твердотельных микрогироскопов на поверхностных акустических волнах //Гироскопия и навигация. - 2011. - №. 3. - С. 75-87.

4) Лукьянов Д.П. и др. Микрогироскопы для высокодинамичных объектов //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2012. - №. 6.

5) Lukyanov D. et al. Comment on «Wireless and Passive Gyroscope based on Surface Acoustic Wave Gyroscopic Effect» //Applied Physics Express. -2012. - Т. 5. - №. 10. - С. 109101.

6) Д.П. Лукьянов, С.Ю. Шевченко, Е.П. Филиппова, А.С. Кукаев, Д.В. Сафронов, А. В. Иванов. "Применение кварцевого корпусирования для упаковки микромеханических акселерометров на поверхностных акустических волнах". // Известия «ЛЭТИ» №4, 2014, с.53-57.

7) Сафронов Д.В., Попов П.Д. Локальное лазерное испарение пленок сложных топологий чувствительного элемента микрогироскопа на поверхностных акустических волнах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 2. С. 191-196

Публикации в других изданиях:

8) Лукьянов Д.П., Шевченко С.Ю., Кукаев А.С., Сафронов Д.В. Анализ возможностей повышения температурной стабильности

дифференциальных частотных преобразователей // Известия «ЛЭТИ», №7 2009, СПб.: Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009 С.51-62;

9) Кукаев А.С., Сафронов Д.В., Шевченко С.Ю. Разработка и исследование твердотельного микрогироскопа на линии задержки ПАВ // 63я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета: сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. С.207-214.

10) Кукаев А.С., Сафронов Д.В., Шевченко С.Ю. Уменьшение времени готовности молекулярных твердотельных микрогироскопов на поверхностных акустических волнах // Навигация и управление движением: Материалы докладов XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»/ под ред. В.Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ Электроприбор», 2010. С.385-392;

11) Лукьянов Д.П. и др. Современное состояние и перспективы развития твердотельных микрогироскопов на ПАВ // Материалы докладов 18 МКИНС - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ Электроприбор», 2011. С.31-40;

12) Lukyanov D. et al. State of the Art and Prospects for the Development of SAW-based Solid-State Gyros, Proc. of Inertial Sensors and Systems - 2011, Karlsruhe, Germany pp. 5.1 - 5.20.

13) Лукьянов Д.П. и др. Моделирование чувствительных элементов ММА и ММГ на ПАВ в программе ANSYS // 65я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета: сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2012. C.192-195.

14) Кукаев А.С., Лукьянов Д.П., Филиппова Е.П., Шевченко С.Ю. Твердотельные микрогироскопы на поверхностных акустических волнах // Сборник докладов VI Научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике. ОАО «Авангард» - СПб.: «Аграф +», 2013. С.54-63.

15) Шевченко С.Ю., Кукаев А.С., Сафронов Д.В., Филиппова Е.П. Пассивный беспроводной микрогироскоп на поверхностных акустических волнах за рубежом и в России // Навигация и управление движением. Материалы XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» / под общ. ред. Академика РАН В.Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ Электроприбор», 2013 с.416-421;

16) Lukyanov D., Shevchenko S., Kukaev A., Filippova E., Safronov D. Microaccelerometer based on surface acoustic waves //Piezoelectricity, Acoustic Waves, and Device Applications (SPAWDA), 2014 Symposium on. - IEEE, 2014. - С. 18-21.

17) Lukyanov D. et al. Micro rate gyroscopes based on surface acoustic waves // NORCHIP, 2014. - IEEE, 2014. - С. 1-4.

18) Lukyanov D. et al. Experimental study of laser-trimmed surface acoustic wave delay line topologies //SPIE Optics+ Optoelectronics. - International Society for Optics and Photonics, 2017. - С. 102311T-102311T-6.

19) Lukyanov D. et al. Laser ablation method for production of surface acoustic wave sensors //SPIE Security+ Defence. - International Society for Optics and Photonics, 2016. - С. 99860G-99860G-5.

20) Lukyanov D. P. et al. Optical methods for correction of surface acoustic wave sensors topology //SPIE/COS Photonics Asia. - International Society for Optics and Photonics, 2016. - С. 100180H-100180H-6.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения, изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунков и 12 таблиц, список цитированной литературы представлен 51 наименованием.

Глава 1.

Концепции построения навигационных сенсоров на ПАВ и методы их производства.

1.1 Обзор рынка современных микромеханических навигационных сенсоров.

В 70-е годы XX столетия произошла четвертая информационная революция, связанная с изобретением микропроцессорной технологии и появлению персональных компьютеров, что способствовало переходу от механических и электрических средств преобразования информации к электронным. «Венцом» этой волны революции является появление всемирной сети — интернета, что сделало возможным информационный обмен в глобальных масштабах.

Таким образом появилась острая необходимость в миниатюризации приборов, узлов, машин и появлению программно- управляемых устройств и процессов. На микропроцессорах и интегральных схемах стали создаваться компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационно-коммуникационные системы) и т. д. Благодаря этой революции человечество впервые за всю историю своего развития получило средство усиления собственной интеллектуальной деятельности.

В целом, вступление в XXI век характеризуется переходом от индустриального общества к информационному. И самих источников информации становится все больше, за счет появления большого количества мобильных устройств. Их массовое появление в мире стало основной движущей силой развития микропроцессорной техники и микроэлектромеханических систем (МЭМС). Всеобщий тренд, направленный на увеличение мобильности и миниатюризацию был стимулом к разработке новых концепций построения датчиков, способных занимать как можно меньше места. В последствии, когда необходимость уменьшение габаритов

достигла своего предела, большинство научных исследований было направлено на увеличение точности приборов и снижение их стоимости. Появились «умные» гаджеты, содержащие в себе множество различных датчиков физических величин [1].

МЭМС-системы получили приставку «микро-» из-за своих размеров, которые варьируются от 20 мкм до 1 мм (рисунок 1.1). На представленном изображении видно, каких успехов достигло всеобщее стремление к миниатюризации. Появилась возможность использовать МЭМС-технологии практически в любом мобильном устройстве.

В плане архитектуры МЭМС-устройство состоит из нескольких взаимодействующих механических компонентов и микропроцессора, который обрабатывает данные, получаемые от этих компонентов. Какого-то стандарта для механических элементов нет: по своему типу они могут сильно различаться в зависимости от назначения конкретного устройства.

Помимо мобильной электроники МЭМС-технологии все больше стали проникать в различные области науки и техники. Например, сегодня ни один

Рисунок 1.1. Размер МЭМС.

автомобиль не обходится без микроакселерометров и микрогироскопов, которые используются в системах пассивной безопасности [2]. За счет своей миниатюрности и низкому энергопотреблению, а зачастую и его отсутствию, датчики стали использовать в медицине и спорте. С их помощью производится мониторинг состояния здоровья пациентов [3, 4], контроль физических параметров спортсменов [5]. На их основе реализованы персональные системы мониторинга активности и др. Изменение объема рынка МЭМС, а также изменение доли микрогироскопов представлено в таблице 1.1 [6].

Таблица 1.1. Изменение объема рынка МЭМС.

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Среднегодовой %роста прибыли

Весь рынок датчиков 8151 10580 12173 13410 14767 16337, 17761 19422 21084 9,50%

Гироскопы 267,9 263,2 255,3 241,5 234,5 236,6 233,2 236,4 233 -0,70%

Гиростабилизаторы 35,7 50 62,2 69,8 78,3 90,3 93,2 105,4 110,6 9,70%

6-осные инерциальные модули 447,8 537,7 594,1 606,2 634,4 675,6 700,6 727,8 757,8 4,60%

6-осные электронные компасы 70,8 75,1 75,9 81,6 77 73,7 82,5 79,7 78,2 -0,80%

9-осные инерциальные модули 0 3,4 9,2 13,7 18,2 23 27,5 36,7 55,3 0,49%

Рынок гироскопов 822,2 929,4 996,7 1012,8 1042,4 1099,2 1137 1186 1234,9 13,29%

Хорошо видно, что объем рынка значительно увеличивается из года в год. Если в 2013 году он составлял чуть менее 8 млрд. $, то к 2021 он уже перевалил за 20 млрд. $. Среди различных фирм, выпускающих миниатюрные датчики существует жесткая конкуренция. Поэтому производители стараются предложить своим потенциальным потребителям что-то, чего нет у других. Однако, в связи с тем, что миниатюризация и удешевление достигли своего разумного предела необходимо новое направление исследований, способное

выделить продукцию из общей массы. Вместе с тем, потребителями мобильной электроники сегодня являются так же и военно-промышленные комплексы, выдвигающие иные требования к техническим характеристикам устройств. И одним из таких требований является возможность сенсора работать в широких диапазонах измеряемых величин и выдерживать большие перегрузки. Так, например, агентство по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA) в мае 2015 года объявило конкурс на разработку системы инерциальной навигации на основе датчиков, отвечающих следующим требованиям [7]: ударопрочность - 50000£, виброустойчивоть - 50£, диапазон измерений - 100000 °/с, габариты - 1 см3. Общий объем финансирования программы составляет 45 млн. Таким

образом, исходя из анализа ранка и растущему из года в год количеству публикаций, посвященных именно навигационным сенсорам на ПАВ можно сделать вывод, что об актуальности их разработки. Рассмотрим концепции построения основных микромеханических навигационных сенсоров на ПАВ: микроакселерометров и микрогироскопов.

1.2 Микроакселерометр на поверхностных акустических волнах.

Схема чувствительного элемента (ЧЭ), применяемого в таких акселерометрах, представлена на рисунке 1.2. Здесь консоль 1 нагружена инерционной массой 2.

Рисунок 1.2. Микроакселерометр на ПАВ.

На оппозитные стороны консоли нанесены резонаторы ПАВ, образованные входными ВШП 3 и отражателями 4. При воздействии ускорения, балка испытывает деформации изгиба и, как следствие, растяжение и сжатие оппозитных поверхностей пластины. Возникающие поверхностные напряжения изменяют упругие модули и плотность материала в поверхностном слое, а также его геометрические размеры. Как показано в работе [8], при деформациях растяжения время распространения ПАВ по поверхности пластины увеличивается как за счет ее геометрического удлинения, так и за счет уменьшения фазовой скорости, вариации которой определяются изменением модулей упругости (их уменьшением). На оппозитной стороне пластины возникают деформации сжатия, которые приводят к противоположному по знаку приращению времени распространения ПАВ.

Собственные частоты резонаторов определяются расстоянием между отражателями, их дисперсионными свойствами и скоростью распространения

ПАВ. Резонансную частоту невозмущенного резонатора / можно найти из

соотношения

/о = ио Ч Щ, (1Л)

где ио - невозмущенное значение фазовой скорости ПАВ, Ч »1 - целое

число, 10 - длина невозмущенного резонатора (расстояние между эффективными центрами отражения рефлекторов) или

/о , (12)

2то

где то - время распространения ПАВ на длине 10 .

Тогда выражение для собственных частот резонаторов (/1, /2) и их разности при действии ускорений на ЧЭ микроакселерометра может быть записано в виде:

f1,2 = ~ n. л = Zed + m) n

2t e(l ±M) > (13)

/2 " /1 = 2fem

где m - среднее значение относительного изменения времени распространения ПАВ в зоне размещения элементов резонатора под действием механических напряжений. Знак «-» соответствует деформации растяжения, а «+» - сжатия. Таким образом, получаем двухканальную схему, которая соответствует дифференциальному преобразователю частотного типа. В настоящее время ведутся исследования по улучшению точностных характеристик микроакселерометров на ПАВ и снижению их времени выхода на рабочий режим. Среди используемых решений предполагается оптимизация формы консоли для равномерного распределения по ней упругих деформаций и напряжений [9], применение схемы с временным разделением каналов для электрической развязки двух резонаторов на оппозитных сторонах звукопровода [10].

Вместе с рассмотренной концепцией микроакселерометра на ПАВ сегодня активно ведется разработка другого класса устройств -микрогироскопов на поверхностных акустических волнах. Обширный интерес к этой области вызван тем, что существующие классические концепции построения микрогироскопов не могут удовлетворить требования по вибро- и ударопрочности высокодинамичных объектов, перегрузки которых могут достигать 65000g. Это связано с наличием упругих подвесов в конструкции классических миромкханичесих гироскопов (ММГ). Микрогироскопы на ПАВ, в свою очередь, используют кинетику твердого тела и фактически представляют собой монолитный кристалл пьезоматериала, на который нанесена металлическая топология. Начиная с 1980 года, было предложено несколько основных концепций построения твердотельных микрогироскопов (ТМГ) на ПАВ, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Рассмотрим их подробнее.

1.3. Концепции построения навигационных сенсоров на ПАВ со сложными топологиями.

1.3.1 ТМГ на ПАВ с цилиндрическим звукопроводом.

Одну из первых концепций построения ТМГ на ПАВ предложил Б.И. Лао в 1980 [11] (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3. ТМГ на ПАВ с кольцевым резонатором: 1 - цилиндр с пьезоэлектрическим покрытием; 2, 3 - встречно бегущие ПАВ; 4,5 - однонаправленные ВШП; 6 -фазовращатели; 7 - фильтры; 8 - усилители; 9 - смеситель.

В качестве звукопровода здесь использовался цилиндр 1 из плавленого кварца с пьезоэлектрическим покрытием. При помощи генераторов, образованных однонаправленными встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) 4, 5, усилителями 8 и фазовращателями 6, создается пара встречно бегущих ПАВ 2, 3 с одинаковой длиной волны X (при угловой скорости О = 0). Вращение приводило к различному набегу фазы для каждой из волн. Выделяемая на выходе устройства разность фаз была, таким образом, пропорциональна действующей угловой скорости.

Исследования в работе [1 1] показали, что для обнаружения угловой скорости 1,5°/час, что соответствует 1/10 скорости суточного вращения Земли, необходимо значение кратковременной стабильности генераторов порядка 3-10-13. Такой уровень реализуется в квантовых генераторах и недостижим для ПАВ. Такая концепция, на самом деле, достаточно простая с точки зрения

технологии производства и в данном случае она приводится, чтобы показать, с чего началась история навигационных сенсоров на ПАВ. Так же стоит отметить, что из-за недостижимости необходимой кратковременной стабильности генератора на ПАВ, автор не приводит результаты экспериментальных исследований.

1.3.2 ТМГ на стоячих ПАВ.

Спустя 17 лет после того как Лао впервые представил свою работу, М. Куросавой с соавторами была предложена первая концепция построения ТМГ на стоячих ПАВ [12].

Как показано на рис 1.4, а, частицы в ее пучностях совершают колебательные движения в направлении, перпендикулярном плоскости звукопровода, а в узлах - вдоль нее. Наличие колебаний позволяет возбудить силу Кориолиса при вращении и, следовательно, определить значение угловой скорости (рисунок 1.4, б).

Скорость колебания частиц

(а) (б)

Рисунок 1.4. Движение частиц в поле стоячей Рэлеевской волны: а) в отсутствии вращения; б) при вращении вокруг оси х.

В отличие от схемы на рисунке 1.3, здесь информативным параметром является не разность фаз, а амплитуда вторичной ПАВ. Она определяется силой Кориолиса = тУПАВ (рисунок 1.4, б), которая, в свою очередь,

пропорциональна массе т движущихся со скоростью Ущв частиц звукопровода. Так как они имеют очень малую массу, можно сделать

предположение, что амплитуду возникающей вторичной волны затруднительно детектировать. Поэтому авторы предлагают разместить в площади ПАВ-резонатора матрицу миниатюрных навесных масс (66*61 мкм, 1,5-10-11 г). Структурная схема такого сенсора представлена на рисунке 1.5.

Здесь при помощи возбуждающих ВШП 1 и отражателей 2 генерируется первичная стоячая волна 3, в пучностях которой навешиваются миниатюрные массы, образующие матрицу 4. Вместе с частицами звукопровода они

совершают колебания вдоль оси 2. При наличии угловой скорости О * (рисунок 1.5), возникает ускорение Кориолиса и соответствующие ему силы, ортогональные направлению первичной волны 3. Под их действием частицы звукопровода вместе с навесными массами совершают колебательные движения вдоль направления у, возбуждая вторичную ПАВ 5, которая фиксируется ВШП 6.

Рисунок 1.5. ТМГ на ПАВ с распределенными навесными массами: 1 -возбуждающие ВШП; 2 - отражатели возбуждающего резонатора; 3 -первичная стоячая волна; 4 - матрица навесных масс; 5 - вторичные стоячие волны; 6 - приемный ВШП; 7 - отражатели вторичного (приемного)

резонатора.

В работе [13] описаны результаты испытаний ТМГ, изготовленного по приведенной схеме. Полученные численные значения параметров приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Характеристики ТМГ на ПАВ с перекрестными связями.

Параметры Значение

Материал подложки 128° YX LiNЪOз

Рабочая частота ПАВ-резонатора, МГц 74,2

Скорость ПАВ, м/с 3951

Масштабный коэффициент, мкВ/.. ,°/с 10

Время выхода на рабочий режим Нет данных

Диапазон измерений, °/с 10

Габариты датчика, мм 10*10

При использовании подложки из 128° YX-среза LiNЪO3 авторами на частоте ПАВ 74,2 МГц был получен слабый выходной сигнал на уровне нескольких микровольт. Однако описанная концепция была позднее подвергнута серьезной критике [14].

1.3.3 ТМГ на ПАВ с двумя линиями задержки.

Хронологически следующей явилась концепция, предложенная Ли в 2007 году [15]. В ее основе лежит эффект изменения скорости ПАВ, бегущей по поверхности вращающегося звукопровода. Конструктивно датчик представляет собой две линии задержки, сориентированных в противоположные стороны и набор простейшей электроники (усилители и смеситель). Столь простая конструкция обеспечивала низкую стоимость, простоту производства и быстро приобрела популярность. Впоследствии, как автором, так и другими учеными были предложены различные материалы звукопровода, а также рассмотрена возможность использования волн горизонтальной поляризации [15-20]. Стоит отметить, что большинство

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сафронов Даниил Валерьевич, 2018 год

Список литературы.

1) G. Girardin. Sensors for Cellphones and Tablets 2016 // YOLE Developpement Market & Technology Report, 2016. P. 1 - 4.

2) Автомобильные акселерометры Часть 1. Автомобильные акселерометры — важнейший сегмент в конъюнктуре современного рынка автомобильных датчиков. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 8 2005 стр. 32-38

3) А. С. Красичков, А. П. Аникин Система персонального мониторинга и дистанционной диагностики с возможностью подачи тревожного сигнала для контроля состояния здоровья пациента Радиоэлектроника № 3, 2011. стр. 35-44

4) West D. How mobile devices are transforming healthcare //Issues in technology innovation. - 2012. - Т. 18. - №. 1. - С. 1-11.

5) Н. Высюхин (2016) Вейп-система. Зачем футболисты тренируются в черных лифчиках [Электронный ресурс]// Eurosport.ru 01.09.2016 Режим доступа: www.eurosport.ru/football/ story_sto5777845.html

6) E. Mounier, C. Troadec, G. Girardin, J. Mouly. Status of the MEMS Industry 2016 // YOLE Developpement Market & Technology Report, 2016. P. 1 -4.

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

8) Разработка и оптимизация схемы построения микроакселерометра на поверхностных акустических волнах (Часть 1) // Д.П. Лукьянов, М.М. Шевелько, С.Ю. Шевченко и др. - Санкт-Петербург, Гироскопия и навигация, 2005. - № 2 (49), С.79-95.

9) Шевченко С. Ю. РАЗРАБОТКА МИКРОАКСЕЛЕРОМЕТРА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ //СПб.: СПБГЭТУ «ЛЭТИ». - 2007. - Т. 132.

10) А.С. Кукаев, Д.В. Сафронов, С.Ю. Шевченко «Исследование дифференциальных частотных преобразователей на кварцевых управляемых осцилляторах» // Навигация и управление движением: Материалы докладов XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»/ под ред. В.Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ Электроприбор», 2009. С. 378 - 385.

11) B. Y. Lao. Gyroscopic effect in surface acoustic waves // Proc IEEE UltrasonicsSymp. 1980. P. 687-69.

12) Kurosawa M., Fukuda Y., Takasaki M. Highuchi T. A surface acoustic wave gyro // Transducers (1997), pp. 863-866

13) V. K. Varadan, V. V. Varadan, W. D. Suh et al. Design and development of a MEMS-IDT gyroscope // Smart Mater. Struct. №№ 9, 2000, P. 898905

14) R.C. Woods, H. Kalami, B. Johnson. Evaluation of a Novel Surface Acoustic Wave Gyroscope // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control vol.49, №1. 2002

15) A micro rate gyroscope based on the SAW gyroscopic effect. S. W. Lee, J. W. Rhim, S. W. Park, S. S. Yang // J. Micromech. Microeng. 2007. №№ 17. P 22722279

16) A Novel Micro Rate Sensor using a Surface-Acoustic-Wave (SAW) Delay-line Oscillator. S. W. Lee, J. W. Rhim, S. W. Park, S. S. Yang // Sensors, 2007 IEEE P. 1156 - 1159;

17) Enhanced Sensitivity of Novel Surface Acoustic Wave Microelectromechanical System-Interdigital Transducer Gyroscope. W. Wang, H. Oh, K. Lee, S. Yoon, S. Yang // JJAP. 2009. №48;

18) Theoretical sensitivity evaluation of a shear-horizontal SAW based micro rate sensor. W. Wang; S. He; H. Li // Ultrasonics Symposium (IUS), 2009 P. 1684 - 1687;

19) A New Micro-rate Sensor Based on Shear Horizontal Surface Acoustic Wave Gyroscopic Effect. W. Wang, F. Xu, S. He, S. Li, K. Lee // JJAP. 2010. №49;

20) H. Oh, W. Wang, S. Yang, K. Lee, Development of SAW based gyroscope with high shock and thermal stability // Sensors and Actuators A: Physical, Volume 165, Issue 1, January 2011, pp. 8-15;

21) H. Oh, W. Wang, S. Yang, K. Lee, Enhanced sensitivity of a surface acoustic wave gyroscope using a progressive wave // J. Micromech. Microeng., 2011;

22) Wen Wang, Jiuling Liu, Xiao Xie, Minghua Liu, Shitang He. Development of a New Surface Acoustic Wave Based Gyroscope on a X-112°Y LiTaO3 Substrate // Sensors №11 (2011)

23) Xu F. et al. Optimization of Surface Acoustic Wave-Based Rate Sensors //Sensors. - 2015. - Т. 15. - №. 10. - С. 25761-25773

24) А.С. Кукаев, Д.В. Сафронов, С.Ю. Шевченко «Уменьшение времени готовности молекулярных твердотельных микрогироскопов на поверхностных акустических волнах»// Навигация и управление движением: Материалы докладов XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»/ под ред. В.Г. Пешехонова. - СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн ЦНИИ Электроприбор», 2010. С.385-39.

25) Чернышова, Т.И. Проектирование фильтров на поверхносто-акустических волнах/ Т.И. Чернышова, Н.Г. Чернышов. - Тамбов, 2008-24с.

26) Основы микроэлектроники. Электронолитография. [Электронный ресурс].

URL: http://3ys.ru/osnovy-mikroelektroniki/elektronolitografiya.html

27) Основы микроэлектроники. Рентгенолитография. [Электронный ресурс].

URL: http://3ys.ru/osnovy-mikroelektroniki/rentgenolitografiya.html

28) Королёв, М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. В 2ч. Ч.1 / М. А. Королёв, Т. Ю. Крупкина, М. Л. Ревелева ; М. Д. Королёв [и др.] ; под общей ред. чл. -корр. РАН проф. Ю. А. Чаплыгина. - 2-е изд. (эл.). - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 397 с.9

29) Разработка базовых конструкций и технологии изготовления сверхузкополосных температурно-стабильных ПЧ и СВЧ фильтров на ПАВ Москва, 2005 г., с.52.,всего 67с.

30) Кукаев А. С. МУЛЬТИФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОГИРОСКОПОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ //СПб.: СПБГЭТУ «ЛЭТИ». - 2016. - Т. 129.

31) Технология литографических процессов/Б. А. Лапшинов; Учебное пособие. - М.: Московский государственный институт электроники и математики, 2011

32) Вейко, В.П. Лазерная обработка плёночных элементов/В. П. Вейко. - Л.: Машиностроение, 1986-248с.

33) Волков С.Ю. Новая лазерная технология GF Agie^a!^!^. [Электронный ресурс]

URL: http://galika.ru/news/novaya-lazernaya-tehnologiya-gf-agiesharmilles/

34) IPGIRE-POLUS [Электронный ресурс] URL: https: //www.ipgphotonics.com/ru

35) Упрочнение деталей лучом лазера/В. С. Коваленко, Л. Ф. Головко, Г. В. Меркулов, А. И. Стрижак; под общ. ред. Коваленко В. С. - К.: Техшка, 1981

36) Сборник задач по лазерным технологиям/В. П. Вейко, Е. А. Шахно, - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007;

37) Действие излучения большой мощности на металлы/С. И. Анисимов, Я. А. Имас, Г. С. Романов. - М.: Наука, 1970;

38) Двухфазная модель разрушения поглощающий пленок мощными световыми импульсами/В. П. Вейко, А. И. Кайданов, Е. Б. Яковлев. -Квантовая электроника, т. 7, № 1, 1980;

39) Нагрев и разрушение тонких пленок излучением ОКГ/М. Н. Либенсон, Физика и химия обраб. материалов, № 2, 1968;

40) Состояние и перспективы развития некоторых приборов квантовой электроники/В. С. Алейников, В. П. Беляев, Я. А. Юхвидин. -Электрон. техн. сер. 1, № 4, 1970; Силовая оптика/А. М. Бонч-Бруевич. -Большая Советская энциклопедия, 3-е изд, т. 23, М.: 1976;

41) Учет влияния температурной зависимости оптических постоянных металла на характер его нагрева излучением ОКГ/М. Н. Либенсон, Г. С. Романов, А. А. Имас, т. 36, вып. 7, 1968;

42) Лазерная обработка тонких пленок/Г. Р. Левинсон, В. И. Смигла. -т. 3, № 8, 1976

43) Расчет толщины прогретого слоя в подложке при лазерном нагревании тонких пленок/В. П. Вейко, Е. А. Тучкова, Б. М. Юркевич. -Физика и химия обраб. материалов, № 3, 1982

44) Влияние адгезии на процессы лазерного нагревания и разрушения пленок/Е. Б. Яковлев. - Квантовая электрон., т. 8, № 5, 1981;

45) Д. В. Сафронов, С.Ю. Шевченко, Г.В. Якубовская (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»). «Разработка и производство сложных топологий чувствительных элементов навигационных сенсоров на ПАВ», XVIII Конференция молодых ученых «Навигация и управление движением», Электроприбор, Санкт-Петербург, 2016;

46) Лазерный центр [Электронный ресурс]

URL: www.newlaser.ru

47) Либенсон М. Н., Никитин М. Н. О термических искажениях рисунка при проекционном способе обработки пленок излучением ОКГ. -Физика и химия обраб. материалов, 1970, №5, с. 9-13;

48) Диткин В. А., Прудников А. П., Справочник по операционному исчислению. «Высшая школа», 1965

49) А. В. Лыков «Теория теплопроводности», изд. «Высшая школа», Москва, 1967

50) Лукьянов Д.П., Скворцов В.Ю. Микроакселерометры на периодических структурах // Навигация и управление движением. Материалы

II научно-технической конференции молодых ученых, ГНЦ РФ "Электроприбор", 28-31 марта, С-Петербург, 2000. С. 82-87.

51) Д.П.Лукьянов, В.В.Лучинин, В.Ю.Скворцов Акселерометр на поверхностных акустических волнах [Электронный ресурс] URL: http: //www. microsystems .ru/files/publ/ 128.htm