(49-6) 08 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Разработка, моделирование и исследование субволновых структур для управления излучением в ультразвуковых сенсорах физических параметров
В.С. Бут 1, С.В. Карпеев 2,3

1 ООО «Кроне-Автоматика»,
443004, Россия, Самарская область, п. Верхняя подстёповка, д. 2;
2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34;
3 Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт»,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

  PDF, 4460 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1397

Страницы: 924-932.

Аннотация:
В работе предложены 3D-модели субволновых структур для пьезоэлектрических сенсоров, состоящие из периодических микроструктур определённой геометрии. Модели ориентированы на печать на 3D-принтере. Экспериментально получены прототипы с использованием технологии SLA. Эти прототипы были исследованы на наличие дефектов полученных элементов (отклонений от необходимой структуры микроячеек). Разработана технология изготовления элементов данного типа на 3D-принтере. Они могут быть использованы на практике как пьезоэлектрические или пьезоакустические элементы, например, в ультразвуковых расходомерах. Было проведено компьютерное моделирование и сравнение свойств излучения в акустическом диапазоне стандартных пьезоакустических элементов с элементами, состоящими из предложенных субволновых структур. Также было проведено аналогичное сравнительное исследование излучаемых и принимаемых сигналов в ультразвуковом канале расходомера.

Ключевые слова:
субволновая структура, ультразвуковой сенсор, пьезоматериал, микроячейка, фотополимер, послойное наращивание, лазерное воздействие.

Благодарности
Работа выполнена в рамках государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» (численное исследование и экспериментальная реализация примера микроструктуры).

Цитирование:
Бут, В.С. Разработка, моделирование и исследование субволновых структур для управления излучением в ультразвуковых сенсорах физических параметров / В.С. Бут, С.В. Карпеев // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 6. – С. 924-932. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1397.

Citation:
But VS, Karpeev SV. Developing piezoelectric sensors from microstructures obtained by 3D printing. Computer Optics 2025; 49(6): 924-932. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1397.

References:
  1. Andrianova AV, Vinogradova IL, Sultanov AKh, Meshkov IK, Abdrakhmanova GI, Grakhova EP, Ishmiyarov AA, Yantilina LZ. An approach to synthesizing a 3D nanostructured glass-ceramic material based on intensive high-pressure torsion. Computer Optics 2016; 40(4): 489-500. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-4-489-500.
  2. Skidanov RV, Doskolovich LL, Ganchevskaya SV, Blank VA, Podlipnov VV, Kazanskiy NL. Experiment with a diffractive lens with a fixed focus position at several given wavelengths. Computer Optics 2020; 44(1): 22-28. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-646.
  3. Tripathi N, Pavelyev VS, But VS, Lebedev SA, Kumar S, Sharma P, Mishra P, Sovetkina MA, Fomchenkov SA, Podlipnov VV, Platonov V. Analysis and optimization of photonics devices manufacturing technologies based on Carbon Nanotubes. J Phys: Conf Ser 2019; 1368(2): 022038. DOI: 10.1088/1742-6596/1368/2/022034.
  4. Gluschenko AG, Glushchenko EP. The use of metamaterials to control the speed of light propagation in optical structures. Computer Optics 2017; 41(2): 202-207. DOI: 10.18287/2412-6179-2017-41-2-202-207.
  5. Borminsky SA, Solntseva AV, Skvortsov BV. A method for optoelectronic control of liquid volume in a tank. Computer Optics 2016; 40(4): 552-559. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-4-552-559.
  6. Storozhenko DV, Dzyuba VP, Kulchin YN, Amosov AV. Excitonic optical nonlinearity of dielectric nanocomposites in weak optical fields. Computer Optics 2016; 40(6): 855-862. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-6-855-862.
  7. But VS, Kobelev AA, Karlin ES, Karpeev SV. Design of metamaterial structures for manufacturing piezoelements and optical structures with the necessary characteristics. Proc SPIE 2021; 11793: 117930G. DOI: 10.1117/12.2593034.
  8. But VS, Kobelev AA, Karlin ES, Karpeev SV. Development of an ultrasonic fourteen channel flowmeter for visualization of the flow profile. Proc SPIE 2021; 11793: 117930L. DOI: 10.1117/12.2593035.
  9. Volkov AV, Kazanskiy NL, Moiseyev OYu, Soifer VA. A method for the diffractive microrelief formation using the layered photoresist growth. Opt Lasers Eng 1998; 29(4-5): 281-288. DOI: 10.1016/S0143-8166(97)00116-4.
  10. Skidanov RV, Moiseev OYu, Ganchevskaya SV. Additive process for fabrication of phased optical diffraction elements. J Opt Technol 2016; 83(1): 23-25. DOI: 10.1364/JOT.83.000023.
  11. Miklyaev YV, Karpeev SV, Dyachenko PN, Pavelyev VS. Fabrication of three-dimensional photonics crystals by interference lithography with low light absorption. J Mod Opt 2009; 56(9): 1133-1136. DOI: 10.1080/09500340902919469.
  12. Dyachenko PN, Karpeev SV, Pavelyev VS. Fabrication and investigation of three-dimensional metallodielectric photonic crystals for infrared range. Computer Optics 2010; 34(4): 501-505.
  13. Dyachenko PN, Karpeev SV, Fesik EV, Miklyaev YV, Pavelyev VS, Malchikov GD. Fabrication of three-dimensional metallodielectric photonics crystals by interference lithography. Proc SPIE 2010; 7713: 77131J. DOI: 10.1117/12.853791.
  14. Dyachenko PN, Karpeev SV, Fesik EV, Miklyaev YV, Pavelyev VS, Malchikov GD. The three-dimensional photonic crystals coated by gold nanoparticles. Opt Commun 2011; 284(3): 885-888. DOI: 10.1016/j.optcom.2010.10.006.
  15. Dyachenko PN, Karpeev SV, Pavelyev VS. Fabrication and characterization of three-dimensional metallodielectric photonic crystals for infrared spectral region. Opt Commun 2011; 284(22): 5381-5383. DOI: 10.1016/j.optcom.2011.07.062.
  16. Protsenko VI, Kazanskiy NL, Serafimovich PG. Real-time analysis of parameters of multiple object detection systems. Computer Optics 2015; 39(4): 582-591. DOI: 10.18287/0134-2452-2015-39-4-582-591.
  17. Nikitin VS, Semyonov EI, Solostin AV, Sharov VG, Chayka SV. Design of an optical divider for ‘smartlink connection’ with use of SLA and FDM 3D printing technology. Computer Optics 2016; 40(1): 57-63. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-1-57-63.
  18. Karpeev SV, Ustinov AV, Khonina SN. Design and analysis of a three-wave diffraction focusing doublet. Computer Optics 2016; 40(2): 173-178. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-2-173-178.
  19. Makarev DI, Rybyanets AN, Mayak GM. The possibility of creating digital piezomaterials based on piezoceramic-polymer mixed composites. Tech Phys Lett 2015; 41(4): 317-319. DOI: 10.1134/S1063785015040124.
  20. Miyazawa Y, Charalampidis E, Chong C, Kevrekidis P, Yang J. Origami-based impact mitigation via rarefaction solitary wave creation. Sci Adv 2019; 5(5): eaau2835. DOI: 10.1126/sciadv.aau2835.
  21. Pavelyev VS, Borodin SA, Kazanskiy NL, Kostyuk GF, Volkov AV. Formation of diffractive microrelief on diamond film surface. Opt Laser Technol 2007; 39(6): 1234-1238. DOI: 10.1016/j.optlastec.2006.08.004.
  22. Kazanskiy NL, Kolpakov VA. Optical materials: Microstructuring surfaces with off-electrode plasma. Boca Raton: CRC Press; 2017. ISBN: 978-131527992-3.
  23. Abul'khanov SR, Kazanskii NL, Doskolovich LL, Kazakova OY. Manufacture of diffractive optical elements by cutting on numerically controlled machine tools. Russ Eng Res 2011; 31(12): 1268-1272. DOI: 10.3103/S1068798X11120033.
  24. Bezus EA, Doskolovich LL, Kazanskiy NL. Evanescent-wave interferometric nanoscale photolithography using guided-mode resonant gratings. Microelectron Eng 2011; 88(2): 170-174. DOI: 10.1016/j.mee.2010.10.006.
  25. Bezus EA, Doskolovich LL, Kazanskiy NL. Interference pattern formation in evanescent electromagnetic waves using waveguide diffraction gratings. Quantum Electron 2011; 41(8): 759-764. DOI: 10.1070/QE2011v041n08ABEH014500.
  26. Kazanskiy NL, Moiseev OYu, Poletayev SD. Microprofile formation by thermal oxidation of molybdenum films. Tech Phys Lett 2016; 42(2): 164-166. DOI: 10.1134/s1063785016020085.
  27. Kazanskiy NL, Stepanenko IS, Khaimovich AI, Kravchenko SV, Byzov EV, Moiseev MA. Injectional multilens molding parameters optimization. Computer Optics 2016; 40(2): 203-214. DOI: 10.18287/2412-6179-2016-40-2-203-214.
  28. Kazanskiy NL, Skidanov RV. Technological line for creation and research of diffractive optical elements. Proc SPIE 2019; 11146: 111460W. DOI: 10.1117/12.2527274.
  29. Cui H, Hensleigh R, Yao D, Maurya D, Kumar P, Kang MG. Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response. Nat Mater 2019; 18: 234-241. DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1.
  30. Renap K, Kruth JP. Recoating issues in stereolithography. Rapid Prototyp J 1995; 1(3): 4-16. DOI: 10.1108/13552549510094223.
  31. Rietzel D, et al. Polymer powders for selective laser sintering – production and characterization. Proc 44th CIRP Conf on Manufacturing Systems  2011: 1-6.
  32. Yao WL, Leu MC. Analysis and design of internal web structure of laser stereolithography patterns for investment casting. Mater Des 2000; 21(2): 101-109. DOI: 10.1016/S0261-3069(99)00061-8.
  33. Junk S, Kuen C. Review of open source and freeware CAD systems for use with 3D-printing. Procedia CIRP 2016; 50: 430-435. DOI: 10.1016/j.procir.2016.04.174.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20