Порівняння AlN та
Анотація
Ми пропонуємо використовувати мембрани з нітриду алюмінію (AlN), які діють як чутливі елементи для вимірювання прискорення на основі поверхневої акустичної хвилі (SAW). Пропоноване рішення порівнюється з існуючими прототипами на основі використання кварцових (SiO2)/ніобату літію (LiNbO3) мембран, які характеризуються великими анізотропними властивостями. Використовуючи комп'ютерне моделювання COMSOL Multiphysics 5.4, ми чітко показуємо, що чутливі елементи на основі менш анізотропних мембран AlN долають як низькі обмеження чутливості SiO2, так і низьку температурну стабільність LiNbO3. Більше того, мембрани AlN демонструють майже подвійну міцність проти незворотних механічних деформацій у порівнянні з SiO2, що, в свою чергу, дозволяє додатково підвищити чутливість у 1,5 рази над датчиками на основі LiNbO3. Беручи до уваги їх прийнятні частотні характеристики, ми, таким чином, вважаємо, що мембрани AlN є хорошим кандидатом для чутливих елементів, особливо для вимірювань з високим прискоренням.
1. Вступ
Протягом 20 століття звичайні конструкції акселерометрів характеризувалися надмірною вагою та розмірами, що перешкоджало їх широкому використанню. З розвитком мікроелектронних технологій розміри датчиків можуть бути різко зменшені, демонструючи при цьому значно меншу точність та механічну міцність. Міцність кручень, що застосовуються у звичайних мікроелектромеханічних системах (MEMS), датчиків сильно обмежена, що призводить до їх нездатності протистояти перевантаженням, спричиненим надмірним прискоренням та/або зовнішніми механічними силами.
Датчики на основі поверхневих акустичних хвиль (SAW), хоча і менш розроблені на сьогоднішній день, забезпечують розумну та багатообіцяючу альтернативу. Останні розробки, засновані на монолітній твердотільній конструкції, характеризуються відносно високою стабільністю параметрів, низьким споживанням енергії (0,5–1 Вт) [1]. Незважаючи на те, що мікромеханічні акселерометри на основі SAW в даний час все ще розробляються, комерційно доступні датчики SAW широко використовуються в інших додатках, починаючи від медицини та безпеки життєдіяльності і закінчуючи безпілотними пристроями, на прикладі аналізаторів пари та газу [2,3,4], регулювання температури системи [5,6], а також системи виявлення тиску [7].