Расчет балочного микрооптоэлектромеханического преобразователя линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта

Аннотация

Рассмотрена функциональная схема преобразователя линейного ускорения с модулятором на основе оптического туннельного эффекта для съема информации о нанометровых перемещениях балочного чувствительного элемента, возникающих под действием линейных ускорений. Приведен набор параметров оптического модулятора микроопто-электромеханического преобразователя для измерения линейных ускорений в заданном диапазоне с заданной погрешностью нелинейности функции преобразования. Определена зависимость погрешности нелинейности функции преобразования от диапазона изменения чувствительности оптического модулятора на основе оптического туннельного эффекта при различных длинах волн. Диапазон перемещения чувствительного элемента вычислен по допустимому изменению чувствительности оптического модулятора, зависящей от значения параметра m, найденного с заданной погрешностью нелинейности функции преобразования. Предложен алгоритм расчета балочного микрооптоэлектромеханического преобразователя линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта, использующий математическую модель преобразователя линейного ускорения и позволяющий по набору исходных данных определить параметры оптической, механической и электронной частей преобразователя. Разработано программное обеспечение, реализующее алгоритм расчета конструктивных параметров балочного микрооптоэлектромеханического преобразователя линейного ускорения

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ (проект № 23-29-00954, https://rscf.ru/project/23-29-00954)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Бусурин В.И., Макаренкова Н.А., Зо Лвин Хту. Расчет балочного микроопто-электромеханического преобразователя линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2024, № 4 (149), с. 25--40. EDN: ZRJVRH

Литература

[1] Rahimi M., Taghavi M., Malekmohammad M. Coarse-to-fine optical MEMS accelerometer design and simulation. Appl. Opt., 2022, vol. 61, no. 2, pp. 629--637. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.439762

[2] Sundar S., Gopalakrishna K., Thangadurai N. MOEMS-based accelerometer sensor using photonic crystal for vibration monitoring in an automotive system. Int. J. Comput. Aided Eng. Technol., 2021, vol. 14, no. 2, pp. 206--224. DOI: https://doi.org/10.1504/IJCAET.2021.113546

[3] Lu Q., Wang Y., Wang X., et al. Review of micromachined optical accelerometers: from mg to sub-μg. Opto-Electron. Adv., 2021, vol. 4, no. 3, art. 200045. DOI: https://doi.org/10.29026/oea.2021.200045

[4] Liu H.F., Luo Z.C., Hu Z.K., et al. A review of high-performance MEMS sensors for resource exploration and geophysical applications. Pet. Sc., 2022, vol. 19, no. 6, pp. 2631--2648. DOI: https://doi.org/10.1016/j.petsci.2022.06.005

[5] Jian A., Wei C., Guo L., et al. Theoretical analysis of an optical accelerometer based on resonant optical tunneling effect. Sensors, 2017, vol. 17, no. 2, art. 389. DOI: https://doi.org/10.3390/s17020389

[6] Antipov A.S., Kokunko J.G., Krasnova S.A., et al. Direct control of the endpointof the manipulator under non-smooth uncertainty and reference trajectories. J. Franklin Inst., 2023, vol. 360, no. 17, pp. 13430--13458. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfranklin.2023.10.001

[7] Krasnova S.A., Antipov A.S., Krasnov D.V., et al. Cascade synthesis of observers of mixed variables for flexible joint manipulators tracking systems under parametric and external disturbances. Electronics, 2023, vol. 12, no. 8, art. 930. DOI: https://www.mdpi.com/2079-9292/12/8/1930

[8] Zhao X., Wang Y., Wen D. Fabrication and characteristics of a SOI three-axis acceleration sensor based on MEMS technology. Micromachines, 2019, vol. 10, no. 4, art. 238. DOI: https://doi.org/10.3390/mi10040238

[9] Lu Q., Bai J., Wang K., et al. Single chip-based nano-optomechanical accelerometer based on subwavelength grating pair and rotated serpentine springs. Sensors, 2018, vol. 18, no. 7, art. 2036. DOI: https://doi.org/10.3390/s18072036

[10] Nie Y., Huang K., Yang J., et al. A proposal to enhance high-frequency optical MEMS accelerometer sensitivity based on a one-dimensional photonic crystal wavelength modulation system. IEEE Sens. J., 2020, vol. 20, no. 24, pp. 14639--14645. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3006220

[11] Ибрахим М.А., Лукьянов В.В. Алгоритмы и конфигурация системы ориентации подвижных объектов на микромеханических чувствительных элементах. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2020, № 2 (131), с. 44--58. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/0236-3933-2020-2-44-58

[12] Balasubramanian M., Krishnaswamy N., Pattnaik P.K. Optical MEMS accelerometer based on waveguide Bragg grating integrated with crab-leg beam. IEEE SENSORS, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/SENSORS47125.2020.9278931

[13] Wan F., Qian G., Li R., et al. High sensitivity optical waveguide accelerometer based on Fano resonance. Appl. Opt., 2016, vol. 55, no. 24. DOI: http://dx.doi.org/10.1364/AO.55.006644

[14] Ahmadian M., Jafari K. A graphene-based wide-band MEMS accelerometer sensor dependent on wavelength modulation. IEEE Sens. J., 2019, vol. 19, no. 5, pp. 6226--6232. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2908881

[15] Huang K., Nie Y., Liu Y., et al. A proposal for a high-sensitivity optical MEMS accelerometer with a double-mode modulation system. J. Light. Technol., 2021, vol. 39, no. 1, pp. 303--309. DOI: https://doi.org/10.1109/JLT.2020.3023038

[16] Busurin V.I., Win Y.N., Zheglov M.A. Effect of linear acceleration on the characteristics of an optoelectronic ring transducer of angular velocity and its compensation. Optoelectron. Instrument. Proc., 2019, vol. 55, no. 3, pp. 309--316. DOI: https://doi.org/10.3103/S8756699019030142

[17] Коробков К.А. Разработка и исследование микрооптоэлектромеханического адаптируемого преобразователя линейного ускорения на основе методов двухканальной обработки сигналов. Дис. … канд. техн. наук. Москва, МАИ, 2021.

[18] Barbin E.S., Nesterenko T.G., Koleda A.N., et al. A system for positioning an optical tunnel measuring transducer of a microoptoelectromechanical micro-g accelerometer. IEEE 23rd EDM, 2022, pp. 42--47. DOI: https://doi.org/10.1109/EDM55285.2022.9855026

[19] Pham A.T., Nguyen V.T., Nguyen V.T., et al. Micro-opto-electro-mechanical transducers for measurement and control systems. SSRG-IJEEE, 2018, vol. 5, no. 10, pp. 7--11. DOI: https://doi.org/10.14445/23488379/IJEEE-V5I10P103

[20] Бусурин В.И., Горшков Б.Г., Коробков В.В. Волоконно-оптические информационно-измерительные системы. М., Изд-во МАИ, 2012.

[21] Bhaskaran P.R., Rathnam J.D., Koilmani S. A simple analytical model for MEMS cantilever beam piezoelectric accelerometer and high sensitivity design for SHM (structural health monitoring) applications. Trans. Electr. Electron. Mater., 2017, vol. 18, no. 2, pp. 78--88. DOI: https://doi.org/10.4313/TEEM.2017.18.2.78