Comparația AlN vs.
Abstract
Propunem utilizarea membranelor din nitrură de aluminiu (AlN) care acționează ca elemente sensibile pentru măsurarea accelerației pe bază de undă acustică de suprafață (SAW). Soluția propusă este comparată cu prototipurile existente bazate pe utilizarea membranelor de cuarț (SiO2)/niobat de litiu (LiNbO3) care se caracterizează prin proprietăți anizotrope extinse. Folosind simulările pe computer COMSOL Multiphysics 5.4, am arătat în mod explicit că elementele sensibile bazate pe membrane AlN mai puțin anizotrope depășesc atât limitele de sensibilitate scăzute ale SiO2, cât și stabilitatea la temperatură scăzută a LiNbO3. Mai mult, membranele AlN prezintă o rezistență aproape dublă împotriva deformărilor mecanice ireversibile în comparație cu SiO2, ceea ce permite la rândul său o îmbunătățire suplimentară a sensibilității de 1,5 ori față de senzorii bazați pe LiNbO3. Având în vedere caracteristicile lor de frecvență acceptabile, credem astfel că membranele AlN sunt un bun candidat pentru elemente sensibile, în special pentru măsurători de accelerație ridicată.
1. Introducere
De-a lungul secolului al XX-lea, proiectele de accelerometre convenționale au fost caracterizate prin greutate și dimensiune excesive, împiedicându-le astfel utilizarea pe scară largă. Odată cu avansarea tehnologiilor microelectronice, dimensiunile senzorilor ar putea fi reduse drastic, prezentând în același timp o precizie și o robustețe mecanică considerabil mai scăzute. Puterea torsiunilor utilizate în senzorii sistemelor microelectromecanice convenționale (MEMS) este sever limitată, ducând la incapacitatea lor de a rezista la suprasarcini cauzate de accelerație excesivă și/sau forțe mecanice externe.
Senzorii pe bază de unde acustice de suprafață (SAW), deși sunt mai puțin dezvoltați până în prezent, oferă o alternativă rezonabilă și în mare măsură promițătoare. Dezvoltările recente bazate pe construcții monolitice în stare solidă se caracterizează printr-o stabilitate relativ ridicată a parametrilor, un consum redus de energie (0,5-1 W) [1]. Deși accelerometrele micromecanice (MMA) bazate pe SAW sunt încă în curs de dezvoltare, senzorii SAW disponibili comercial sunt folosiți pe scară largă în alte aplicații, de la medicină și siguranță vieții la dispozitive fără pilot exemplificate de analizori de vapori și gaze [2,3,4], controlul temperaturii sisteme [5,6], precum și sisteme de detectare a presiunii [7].