Нелинейная динамика МЭМС-акселерометра с балочными чувствительными элементами, основанного на явлении модальной локализации

Авторы

  • Никита Федорович Морозов Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7–9; Институт проблем машиноведения РАН, Российская Федерация, 199178, Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., 61
  • Дмитрий Анатольевич Индейцев Институт проблем машиноведения РАН, Российская Федерация, 199178, Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., 61; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
  • Василиса Сергеевна Игумнова Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
  • Алексей Вячеславович Лукин Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
  • Иван Алексеевич Попов Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
  • Лев Васильевич Штукин Институт проблем машиноведения РАН, Российская Федерация, 199178, Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., 61; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Российская Федерация, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

DOI:

https://doi.org/10.21638/spbu01.2021.204

Аннотация

В представленной работе предложена модель микроэлектромеханического акселерометра с двумя подвижными балочными элементами, расположенными между двумя неподвижными электродами. Действие переносных сил инерции в продольном направлении приводит к изменению спектральных свойств системы, что является полезным выходным сигналом датчика. Динамика системы при наличии слабой электростатической связи между чувствительными элементами характеризуется явлением модальной локализации - значительным изменением амплитудных соотношений для форм синфазных и противофазных колебаний при малых изменениях измеряемой компоненты вектора ускорения подвижного объекта. Построены диаграммы положений равновесия при варьировании разности потенциалов между неподвижным электродом и подвижным элементом и между двумя подвижными элементами. Исследованы зависимости частот и отношение компонент собственных векторов от величины инерционного воздействия. Показано, что чувствительность датчика, основанного на модальной локализации, может на порядки превосходить чувствительность известных систем, базирующихся на измерении сдвига собственных частот. Построена нелинейная динамическая модель акселерометра при внешнем гармоническом электростатическом возбуждении колебаний. Получены резонансные характеристики, проведено сравнение модели, описывающей модальные характеристики системы, и модели, демонстрирующей реальный динамический режим работы с учетом нелинейных факторов.

Ключевые слова:

резонансный акселерометр, слабосвязанная система, модальная локализация, резонансные кривые

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.
 

Библиографические ссылки

Литература

1. Zhao Ch., Montaseri M.H., Wood G. S., Pu S.H., Seshia A.A., Kraft M. A Review on MEMS Coupled Resonators for Sensing Applications Utilizing Mode Localization. Sensors and Actuators A:Physical 249, 93–111 (2016). https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.07.015

2. Hajjaj A. Z., Jaber N., Ilyas S., Alfosail F.K., Younis M.I. Linear and nonlinear dynamics of micro and nano-resonators: Review of recent advances. International Journal of Non-Linear Mechanics 119, 103328 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2019.103328

3. Pierre C., Dowell E.H. Localization of vibrations by structural irregularity. Journal of Sound and Vibration 114, 549–564 (1987). https://doi.org/10.1016/S0022-460X(87)80023-8

4. Pierre C. Mode localization and eigenvalue loci veering phenomena in disordered structures. Journal of Sound and Vibration 126, 485–502 (1988). https://doi.org/10.1016/0022-460X(88)90226-X

5. Zhang H. Ambient pressure drift rejection of mode-localized resonant sensors. 2017 IEEE 30th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 1095–1098 (2017). https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2017.7863604

6. Zhao C., Pandit M., Sun B., Sobreviela G., Zou X., Seshia A. A Closed-Loop Readout Configuration for Mode-Localized Resonant MEMS Sensors. Journal of Microelectromechanical Systems 26 (3), 501–503. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2017.2690942

7. Wang C., Chen F., Wang Y., Sadeghpour S., Wang C., Baijot M., Esteves R., Zhao C., Bai J., Liu H., Kraft M. Micromachined Accelerometers with Sub-mug/rHz Noise Floor: A Review. Sensors 20 (14), 4054 (2020). https://doi.org/10.3390/s20144054

8. Zhang H.M., Yuan W. Z., B.Y. Li, Hao Y.C., Kraft M., Chang H. L. A novel resonant accelerometer based on mode localization of weakly coupled resonators. 2015 Transducers - 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), 1073–1076 (2015). https://doi.org/10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181112

9. Zhang H., Li B., Yuan W., Kraft M., Chang H. An Acceleration Sensing Method Based on the Mode Localization of Weakly Coupled Resonators. Journal of Microelectromechanical Systems 25 (2), 286–296. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.2514092

10. Manav M., Phani A. S., Cretu E. Mode Localization and Sensitivity in Weakly Coupled Resonators. IEEE Sensors Journal 19 (8), 2999–3007 (2019). https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2889646

11. Морозов Н.Ф., Индейцев Д.А., Игумнова В.С., Беляев Я.В., Лукин А.В., Попов И.А., Штукин Л.В. Модель микромеханического акселерометра, основанного на явлении модальной локализации. Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки 494 (1), 51–56 (2020). https://doi.org/10.31857/S2686740020050132

References

1. Zhao Ch., Montaseri M.H., Wood G. S., Pu S.H., Seshia A.A., Kraft M. A Review on MEMS Coupled Resonators for Sensing Applications Utilizing Mode Localization. Sensors and Actuators A: Physical 249, 93–111 (2016). https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.07.015

2. Hajjaj A. Z., Jaber N., Ilyas S., Alfosail F.K., Younis M. I. Linear and nonlinear dynamics of micro and nano-resonators: Review of recent advances. International Journal of Non-Linear Mechanics 119, 103328 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijnonlinmec.2019.103328

3. Pierre C., Dowell E.H. Localization of vibrations by structural irregularity. Journal of Sound and Vibration 114, 549–564 (1987). https://doi.org/10.1016/S0022-460X(87)80023-8

4. Pierre C. Mode localization and eigenvalue loci veering phenomena in disordered structures. Journal of Sound and Vibration 126, 485–502 (1988). https://doi.org/10.1016/0022-460X(88)90226-X

5. Zhang H. Ambient pressure drift rejection of mode-localized resonant sensors. 2017 IEEE 30th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 1095–1098 (2017). https://doi.org/10.1109/MEMSYS.2017.7863604

6. Zhao C., Pandit M., Sun B., Sobreviela G., Zou X., Seshia A. A Closed-Loop Readout Configuration for Mode-Localized Resonant MEMS Sensors. Journal of Microelectromechanical Systems 26 (3), 501–503. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2017.2690942

7. Wang C., Chen F., Wang Y., Sadeghpour S., Wang C., Baijot M., Esteves R., Zhao C., Bai J., Liu H., Kraft M. Micromachined Accelerometers with Sub-mug/rHz Noise Floor: A Review. Sensors 20 (14), 4054 (2020). https://doi.org/10.3390/s20144054

8. Zhang H.M., Yuan W. Z., B.Y. Li, Hao Y.C., Kraft M., Chang H. L. A novel resonant accelerometer based on mode localization of weakly coupled resonators. 2015 Transducers - 2015 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), 1073–1076 (2015). https://doi.org/10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181112

9. Zhang H., Li B., Yuan W., Kraft M., Chang H. An Acceleration Sensing Method Based on the Mode Localization of Weakly Coupled Resonators. Journal of Microelectromechanical Systems 25 (2), 286–296. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2015.2514092

10. Manav M., Phani A. S., Cretu E. Mode Localization and Sensitivity in Weakly Coupled Resonators. IEEE Sensors Journal 19 (8), 2999–3007 (2019). https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2889646

11. Morozov N.F., Indeitsev D.A., Igumnova V. S., Belyaev Ya.V., Lukin A.V., Popov I.A., Shtukin L.V. A Novel Model of a Mode-Localized MEMS Accelerometer. Doklady Rossiiskoi Akademii Nauk. Fizika, Tekhnicheskie Nauki 494 (1), 51–56 (2020). https://doi.org/10.31857/S2686740020050132 (In Russian)

Загрузки

Опубликован

21.07.2021

Как цитировать

Морозов, Н. Ф., Индейцев, Д. А., Игумнова, В. С., Лукин, А. В., Попов, И. А., & Штукин, Л. В. (2021). Нелинейная динамика МЭМС-акселерометра с балочными чувствительными элементами, основанного на явлении модальной локализации. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 8(2), 233–246. https://doi.org/10.21638/spbu01.2021.204

Выпуск

Том 8 № 2 (2021)

Раздел

Памяти П. Е. Товстика

Лицензия

Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)

1 2 > >>