Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка беспроводной микромеханической наноструктурированной микросистемы для построения самоорганизующихся сетей гидроакустического контроля прибрежных акваторий.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
беспроводная микросистема, микромеханическая микросистема, свч, приемо-передающий модуль, наноструктура, самоорганизующаяся сеть, гидроакустический сигнал, сетевой модуль, гидроакустический контроль, экспериментальный образец.

Цель проекта:
1. Гидроакустические волны - единственный вид энергонесущих колебаний, способных распространяться в воде на большие расстояния. При этом они могут достаточно эффективно отражаться от неоднородностей (естественных и искусственных) в толще воды и границ раздела морской среды: «вода-дно», «вода-поверхность», «вода-лед». Этот физический феномен лежит в основе принципа действия различных гидроакустических систем. Разработка высокочувствительных гидроакустических систем способных регистрировать подводные и надводные объекты могут быть использованы при охране заповедных зон, объектов расположенных вдоль береговой линии или судов находящихся на стоянке со стороны водной среды, для контроля подводной обстановки и состояния подводных сооружений, входов в бухты и порты, мостов, каналов, акваторий гидро- и атомных станций и других всевозможных объектов находящихся в прибрежной акватории. В России, которая имеет самую протяженную морскую границу и омывается морями трех океанов, на сегодняшний день функционируют стационарные акустические полигоны и специальные измерительные суда. Однако их число, состав и возможности измерительной аппаратуры недостаточны для решения задачи измерения гидроакустических характеристик водных объектов в полном объеме. Для успешного создания систем способных решать задачи измерения и контроля акустических характеристик водных и подводных объектов, требуется надежная компонентная и аппаратурно-методическая база, обеспечивающая получение данных о параметрах первичного гидроакустического поля. Таким образом, исследование и разработка конструктивно-технологических основ изготовления преобразователей гидроакустического сигнала и создание на из основе микросистем для непрерывного гидроакустического контроля прибрежных акваторий является актуальной задачей. 2. Разработка высокочувствительной гидроакустической системы способной регистрировать подводные и надводные объекты, для использования охраны заповедных зон, объектов расположенных вдоль береговой линии, для контроля подводной обстановки и состояния подводных сооружений, входов в бухты и порты, мостов, каналов, акваторий гидро- и атомных станций и других всевозможных объектов находящихся в прибрежной акватории. Разработка конструктивно-технологических основ получения микромеханической наноструктурированной микросистемы контроля гидроакустического сигнала (ГАС). Разработка конструкции автономного беспроводного сетевого модуля гидроакустического контроля прибрежных акваторий на основе микромеханических наноструктурированных микросистем и приемопередающих модулей с центральным блоком управления.

Основные планируемые результаты проекта:
Тестовые и экспериментальные образцы микросистем ГАС. Протоколы исследования тестовых и экспериментальных образцов микросистемы ГАС. Алгоритмы для функциональных блоков приема и передачи ГАС в беспроводных самоорганизующихся сетях. Макет автономного беспроводного сетевого модуля гидроакустического контроля прибрежных акваторий. Макет центрального блока управления автономным беспроводным сетевым модулем. Протоколы тестирования и результаты анализа функционирования разработанного автономного беспроводного сетевого модуля гидроакустического контроля прибрежных акваторий. Результаты анализа и обобщения экспериментальных и теоретических результатов исследований. Проект ТЗ на ОКР.
- Тестовые структуры должны обеспечивать регистрацию ГАС в диапазоне частот до 10 кГц, чувствительность мембраны должна составлять не менее 30нм/Па.
- Экспериментальный образец микросистемы ГАС должен обеспечивать регистрацию ГАСв диапазоне частот до 30 кГц, чувствительность мембраны должна составлять не менее 100 нм/Па.
- Функциональные блоки сетевого модуля должны обеспечивать выполнение следующих функций: усиление, обработку и преобразование ГАС, приемо-передачу сигналов ГАС, автономное питание блоков сетевого модуля.
- Схемотехническая реализация функционального блока обработки и преобразования сетевого модуля должны предусматривать интеграцию не менее 3 микросистем ГАС.
- Макет сетевого модуля должен обеспечивать передачу ГАС по беспроводной сети на основе открытого стандарта IEEE 802.15.4 в частотном диапазоне 868 – 2400 МГц.
- Дальность действия макета сетевого модуля на открытом пространстве должна составлять до 500 метров.
- Макет центрального блока автономного беспроводного сетевого модуля должен иметь интерфейс USB, для возможности подключения его к персональному компьютеру.
- Программное обеспечение центрального блока автономного беспроводного сетевого модуля должно обеспечивать выполнение следующих функций: контроль и диагностика состояния автономного беспроводного сетевого модуля, вывод информации о ГАС.
Функциональным аналогом является миниатюрный гидрофон на фотонном кристалле, оптимизированный для океанной акустики, разработанный в Стэнфордском Университете (Onur Kilic, Michel J. F. Digonnet, Miniature photonic-crystal hydrophone noptimized for ocean acoustics). Отечественных аналогов не найдено.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Для эффективного мониторинга надводных и подводных объектов требуется размещать преобразователи не только вдоль береговой линии, но и на расстоянии от него и на глубине. В этом случае необходима разработка автономных микросистем, на основе которых возможно было бы создать самоорганизующуюся сеть, способную осуществлять высокоскоростную и своевременную передачу измерительной информации.
Основной проблемой, требующей решения, является обеспечение каналов для обмена данными. Недостатками существующих сетей является их зависимость от систем электроснабжения и кабельного соединения, уязвимого к различным родам повреждений. В настоящем проекте планируется создание беспроводной микросистемы на основе приемопередающих модулей СВЧ диапазона (868-2400 МГц).
Второй наиболее важной проблемой является отсутствие малопотребляющих, малогабаритных, высокочувствительных преобразователей гидроакустического сигнала, работающих в широком частотной диапазоне. В настоящей работе планируется разработка конструкции и технологии изготовления наноструктурированного преобразователя гидроакустического сигнала с диапазоном рабочих частот до 30 кГц.
Конечным продуктом является беспроводная микромеханическая наноструктурированная микросистема для построения самоорганизующихся сетей гидроакустического контроля прибрежных акваторий с диапазоном рабочих частот до 30 кГц.
Функциональным аналогом является миниатюрный гидрофон на фотонном кристалле, оптимизированный для океанной акустики, разработанный в Стэнфордском Университете (Onur Kilic, Michel J. F. Digonnet, Miniature photonic-crystal hydrophone noptimized for ocean acoustics). Отечественных аналогов не найдено.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИЭР будут способствовать развитию научно-технического и производственно-технического потенциала Российской Федерации в области разработки и производства изделий электронной техники, входящей в состав:- беспроводных СВЧ систем контроля и мониторинга; - систем безопасности. Полученные результаты и разработанные методы могут быть ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях и фирмах-производителях наукоемкой продукции и быть конкурентоспособными на мировом рынке.В дальнейшем на базе полученных результатов ПНИЭР планируется выполнение ОКР по изготовлению промышленных образцов беспроводной микромеханической наноструктурированной микросистемы контроля гидроакустического сигнала (ГАС). Ожидается, что технические решения, полученные в процессе выполнения ПНИЭР, будут востребованы фирмами-разработчиками аналогичных устройств.
Результаты работы в дальнейшем должны обеспечить развитие компонентной и аппаратурно-методической базы обеспечивающая получение данных о параметрах первичного гидроакустического поля, а также серийное производство беспроводных сетевых модулей гидроакустического контроля прибрежных акваторий на основе микромеханических наноструктурированных микросистем, не зависящих от источников сетевого питания и способных контролировать безопасность водной среды в прибрежных акваториях.

Текущие результаты проекта:
Рассмотрены основные принципы преобразования гидроакустических сигналов. В результате исследования доступных источников информации наблюдается тенденция развития и совершенствования волоконно-оптических датчиков (ВОД). Для создания микросистемы ГАС на основе ФП-сенсора требуется, разработать чувствительный элемент, представляющий собой специальную закрепленную по периферии мембрану, способную воспринимать акустическое давление в определенном диапазоне частот и преобразовывать его в механическое перемещение. Разработана конструкция тестовой структуры микросистемы ГАС, представляющая собой кремниевый кристалл , с тонкой восьмигранной диэлектрической мембраной, с отражающим элементом в центральной части, выполненным из комбинации слоев Ni и NiCr. Определены технологические требования для создания тестовых структур микросистемы ГАС. Разработан технологический маршрут изготовления тестовых структур микросистемы ГАС. Разработана программа и методики измерений гидроакустических и электрофизических параметров тестовых структур микросистемы ГАС и экспериментальных образцов микросистемы ГАС. Были изготовлены тестовые структуры микросистемы ГАС в соответствии с разработанным технологическим маршрутом. Проведены исследования и анализ тестовых структур микросистемы ГАС. Выработаны конструктивно технологические требования для создания экспериментальных образцов микросистемы ГАС.
Измеренные значения механической чувствительности тестовых структур микросистемы ГАС составили от 44-64 нм/Па, а диапазон рабочих частот от 0,2 - 10,0 кГц, габаритные размеры тестовой структуры 4x4 мм.Результаты показывают, что при использовании данного чувствительного элемента и корректировке аналитической модели в части изменения толщины
диэлектрических пленок SiO2 и Si3N4 можно получить структуры экспериментального образца микросистемы ГАС. Одним из способов значительного снижения уровня остаточных механических напряжений в центральной области мембраны, является изготовление специальных гофр, при этом существенно возрастает и чувствительность мембраны.Технология изготовления тестовых структур микросистемы ГАС полностью совместима с технологией КМОП ИС и МЭМС. Достигнутые значения технических параметров разработанных тестовых структур микросистемы ГАС соответствуют требованиям технического задания.