Микромеханические кремниевые магнитометры Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЕ КРЕМНИЕВЫЕ МАГНИТОМЕТРЫ

Ю.Н. Копытенко, В.М. Мусалимов, В.Ю. Сучкова

Высокочувствительные цифровые магнитовариационные станции используются при изучении ионосферных неоднородностей и как регистраторы электромагнитных предвестников землетрясений. В сейсмоактивной зоне первые положительные результаты исследований получены по Спитакскому землетрясению в 1988 году и в Грузии в 1991 году (СПбФ ИЗМИРАН) [1]. В настоящее время изготовлен геофизический комплекс для пассивной магнитной локации с использованием компьютерных технологий. В то же время широкое использование этих средств ограничено низкой механической прочностью чувствительных элементов - это наиболее уязвимое звено магнитометра, особенно в условиях нагружения комплекса, когда он движется с ускорением.

Приведем оценки динамической прочности чувствительного элемента. Его физико-механические характеристики: модуль Юнга первого рода Е=1,1-105 МПа, допускаемые напряжения [о] = 140 МПа. Рассчитаем коэффициент динамичности:

... Г 2 48EJ 1 1 I 2 4• EJbh3 к (т) = 1 + т2--^ +1 = 1 +, 1 + т2

» т13 V т13

V

где т = — [с], V - скорость относительного движения, % - ускорение свободного %

падения.

—3 — 3

Рассмотрен подвес с размерами к = 50мк = 50 -10 мм ; Ь = 100мк = 100 -10 мм ;

подсчитан момент инерции:

Ьк3 100 -10—3 - 53-10—8 1 04 10—8 4

7 =-=-= 1,04 -10 мм .

12 12

Конструкционный коэффициент жесткости равен - = 48Ы = 48 -1,1-105 -1,04 -10—8 = 2 5

-¡-Ур — о — о — ' 1 V •

р /3 143 мм

В результате получена формула

к (т) = 1 + 1 + т2 • ^ = 1 +

= 1 + V 1 + т2 •©„

m

где - приведенная частота собственных изгибных колебаний упругого подвеса.

Далее приведены данные для различных случаев массы микромагнитов, прикрепленных к подвесу. Для т = 1 получим:

а) klm=7 мг 1 + 1

б) klm=14 мг 1 +

2 • 10-5

1 +-г = 2,94;

7-10-6

, 2 -10-5 1 +-6 = 2,67;

14 • 10 -6

в) klm=40 мг 1 +

2 •Ю -5 1 +-- = 1,22.

40 •Ю -6

Оценим максимальные поперечные перемещения и напряжения: mg 7 -10-6 • 9 8 -1

а) fem = 7Г =-5Т~ = 35 •10 = 3,5ММ';

Cu 2 • 10-5

/а = 2,94 ■ 3,5мм = 10,29мм ;

во всех рассматриваемых случаях момент сопротивления сечения равен

У ■ 2 1,04 ■Ю-8 ■ 2 56 7 з м =-=-г— = 5,6 -10 мм ;

И 5-10-2

шя ■ / 7-10-6 ■ 9,8-14 ^^

а = —— =-= 428МП а

4 ■ м 4 ■ 5,6 ■Ю-7

- это статические напряжения;

ай = 428 ■ 2,94 = 1258МПа

- динамические напряжения.

Приведенные значения существенно больше [а] = 140МПа. Случаи б) и в) дают еще большие значения /д и а д.

Для повышения динамической прочности предложено изменить несущую конструкцию упругих подвесов, а сам подвес выполнить в виде спирально-анизотропного стержня [2]. Переход к этой схеме (рис. 1) решает несколько проблем:

• реализуется конструкционное демпфирование (за счет свивки "нитей");

• упрощается технология изготовления;

• юстировка элемента осуществляется поворотом рамки без воздействия на сам чувствительный элемент.

Рис.1. Подвес в виде спирально-анизотропного стержня

Для спирально-анизотропных стержней получены основные уравнения статики [2]:

Т

пЯ 2 Е1 М ■ tga

= А111 + А12 У

пЯ 3 Е

= А21/ + А22 У

где I - линейная деформация, у - угловая деформация. Коэффициенты А - это, соответственно, модуль растяжения, крутильно-растягивающий модуль, модуль кручения; Т - продольная сила, М - момент кручения; а - угол подъема угла винта скрутки спирально-анизотропного стержня.

Эти уравнения лежат в основе расчетов на прочность спирально-анизотропных стержней.

Наиболее перспективным является выполнение подвеса с использованием технологии МЭМС - это чувствительный элемент на кремниевой основе [з] (рис. 2).

Устройство представляет собой высокочастотное торсионное сканирующее зеркало, изготавливаемое из монокристаллического кремния. В верхней части рис. 2 показан кремниевый кристалл с анизотропно вытравленным рельефом зеркала и торсионной балки; в нижней части рисунка показано поперечное сечение зеркального элемента. Крутильные колебания зеркала (закручивание зеркала относительно кремниевых торсионов) обеспечиваются попеременной подачей напряжений на электроды 1. В случае совпадения частот возбуждения электродов с собственной механической торсионной частотой системы зеркало-торсионная балка зеркало будет резонировать при прямом и обратном перемещениях в торсионном режиме. Это устройство может сыграть немаловажную роль в развитии средств регистрации электромагнитных предвестников в ультранизкочастотном диапазоне.

Рис. 2. Подвес с использованием технологии МЭМС : 1 - стеклянная подложка,

2 - электрод, 3 - опорное ребро

Литература

1. Kopytenko Y., Ismagilov V., Hayakawa M., Smirnova N., Troyan V., Peterson T. Investigstion of the ULF electromagnetic phenomena related to earthquakes: contemporary achievements and the perspectives. // Annali di Geofisica.Vol.44. №2 April 2001.

2. Мусалимов В.М., Мокряк С.Я. О некоторых задачах для спирально-анизотропной среды. // Труды НИИПММ. ТГУ, 1981.

3. .Петерсен К.Э. Кремний как механический материал. // ТИИЭР. 1982. Т. 70. №5.