Ученые ЛЭТИ создали прототип энергонезависимого навигационного датчика на поверхностных акустических волнах

Коллектив ученых Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» представил прототип навигационного датчика нового поколения, который обещает решить проблему хрупкости микроэлектромеханических систем (МЭМС) при работе в условиях высоких физических нагрузок. Разработанное устройство, функционирующее на основе поверхностных акустических волн (ПАВ), сохраняет такие преимущества MEMS, как компактность и малый вес, но при этом обладает значительно большей прочностью и надежностью.

Современные гироскопы и акселерометры на основе MEMS повсеместно используются в смартфонах, беспилотниках, морских судах и многих других системах. Однако их конструктивные особенности, связанные с наличием подвижных механических элементов, делают их уязвимыми для вибраций и перегрузок. Это ограничивает их применение в тяжелом промышленном оборудовании, при высокоточном забивании свай или в системах навигации, работающих в экстремальных условиях. «Для работы в столь сложных условиях мы разработали прототип нового класса датчиков для систем навигации, — рассказал Александр Кукаев, заведующий кафедрой прикладной механики и инженерной графики, доцент кафедры лазерных измерительных и навигационных систем (ЛИНС) СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — Благодаря тому, что в конструкции устройства заложены отличные от МЭМС-датчиков принципы, такие датчики смогут выдерживать гораздо более высокие нагрузки. При этом компактность, точность работы и малый вес сохранятся».

В основе разработки лежит принцип преобразования электрических сигналов в механические колебания с помощью пьезоэлектрического материала. Электрический ток подается на кристаллическую пластину из пьезоэлектрика, вызывая на ее поверхности колебания, которые становятся чрезвычайно чувствительными к внешним воздействиям: ускорению, угловой скорости, температуре или давлению. Когда акустические волны обратно преобразуются в электричество, параметры полученного сигнала отличаются от исходных. Эти изменения и фиксируются датчиком, позволяя с высокой точностью определить ориентацию и движение объекта. Отсутствие подвижных частей в сочетании с высокой прочностью и невысокой стоимостью пьезоэлектриков делает такой подход идеальным для эксплуатации в жестких условиях.

Дальнейшее развитие проекта предполагает создание полностью автономного устройства. Сейчас ученые работают над интеграцией в датчик специальной миниатюрной антенны. «С ее помощью мы сможем одновременно обеспечивать и беспроводную связь, и энергоснабжение, — пояснила Мария Сорвина, аспирант кафедры ЛИНС СПбГЭТУ «ЛЭТИ». — В перспективе эти устройства станут новым типом компактных навигационных датчиков для широкого круга технических систем, которые работают в условиях больших физических нагрузок». Такая система, по сути, сможет функционировать без встроенного источника питания, получая энергию от радиоволн, что открывает новые горизонты для развития интернета вещей и автономных сенсорных сетей в промышленности, робототехнике и на транспорте.