Rezonantni senzorisu vrsta kvazi-digitalnih senzora koji koriste izmjerenu fizičku veličinu za promjenu rezonantnih karakteristika rezonantne osjetljive strukture i izravno emitiraju frekvencijske signale. Ovi senzori rade u mehaničkom rezonantnom stanju rezonantne osjetljive strukture (također poznate kao rezonator ili rezonantni element), na njih manje utječu promjene parametara vanjskog kruga i posjeduju relativno visoku rezoluciju, stabilnost i anti-smetnje.
U ranoj fazi, rezonantni senzori uglavnom su koristili materijale kao što su metal ili kvarc za pripremu rezonantnih osjetljivih struktura, kao što su rezonantni cilindri, rezonantne dijafragme i složene vilice za ugađanje. Sukladno tome, veličine relevantnih senzorskih proizvoda bile su velike, a njihova potrošnja energije velika. Od kasnih 1980-ih, neke dobro-poznate međunarodne tvrtke iskoristile su izvrsna fizička svojstva silicijevih materijala i kombinirale se s MEMS (mikro-elektro-mehaničkim sustavima) obradnim tehnikama za izradu silikonskih mikro-strukturiranih rezonantnih senzora. Karakteristične dimenzije ovih senzora mogu doseći mikronsku ili čak pod-mikronsku razinu. Tipični predstavnici ove vrste senzora su silikonski mikro-rezonantni senzori tlaka i silikonski mikro-rezonantni akcelerometri.
Silikonski mikro-rezonantni senzori ne samo da posjeduju izvrsne performanse općih rezonantnih senzora, već imaju i karakteristike male veličine, male potrošnje energije, brzog dinamičkog odziva, jednostavne integracije i masovne proizvodnje. Stoga se široko koriste u područjima kao što su industrijska kontrola, potrošačka elektronika i zrakoplovstvo. Uz kontinuirani razvoj tehnologije obrade MEMS i kontinuirano povećanje zahtjeva za praktičnu primjenu, mikro-rezonantni senzori nastavljaju se razvijati prema visokim performansama, visokoj osjetljivosti, minijaturizaciji, pa čak i u smjeru nano-elektromehaničkih sustava (NEMS). Međutim, budući da su mikro-strukture silicija sklone defektima kada se svedu na veličine od nekoliko stotina nanometara, teško je dodatno smanjiti karakterističnu veličinu odgovarajućih senzora, što ograničava mjerne performanse i područja primjene silicijevih mikro-rezonantnih senzora. Stoga je istraživanje novih materijala koji se mogu koristiti za izvrsne performanse i malu veličinu te razvoj novih vrsta rezonantnih senzora prirodno postalo potencijalni trend razvoja mikro-rezonantnih senzora.
Osnovne teorije silicijevih mikro - rezonantnih senzora
Rezonantni osjetljivi mehanizam
Načelo rada rezonantnih senzora leži u korištenju principa pozitivne - povratne sprege za formiranje zatvorenog - petlje - samopobuđenog sustava koji uključuje rezonator, jedinicu za pobudu/detekciju i jedinicu za pojačanje, kao što je prikazano na donjoj slici. Među njima, rezonantna - osjetljiva struktura je središnji dio zatvorenog - sustava petlje i radi u vlastitom prirodnom načinu vibracije. Jedinica pobude generira signal pobude kako bi uzrokovala mehaničku vibraciju u rezonantnoj - osjetljivoj strukturi. Jedinica za detekciju hvata njegov vibracijski signal i pretvara ga u električni signal. Nakon što ga obradi jedinica za pojačanje, pretvara se u pobudnu silu kroz pobudnu jedinicu i pozitivno se vraća u rezonator kako bi se održala stabilna - frekvencijska vibracija rezonatora na njegovoj rezonantnoj frekvenciji. Mjerena veličina na određeni način modulira rezonantno stanje rezonatora. Mjerenjem izlaznog - signala frekvencije može se izračunati veličina izmjerene veličine. Za mikro - rezonantne senzore, njihove rezonantne - osjetljive strukture pripremljene su mikro - tehnologijom strojne obrade, a njihove geometrijske dimenzije mogu doseći nekoliko stotina ili čak desetaka mikrometara. Kroz dizajn razumne rezonantne - osjetljive strukture, u kombinaciji s više osjetljivih parametara kao što su frekvencija vibracije, faza i amplituda rezonatora, može se ostvariti mjerenje različitih fizičkih veličina kao što su sila, ubrzanje i kutna brzina.
Dizajn rezonantnih-osjetljivih struktura
Rezonantna-osjetljiva struktura ključna je komponenta raznih rezonantnih senzora i odgovorna je za izravno ili neizravno očitavanje količine koja se mjeri. Njegov dizajn izravno će utjecati na točnost mjerenja, osjetljivost, dinamičke performanse i druge pokazatelje senzora. Što se tiče strukturnih oblika, mikro-osjetljive strukture koje se često koriste u mikro-rezonantnim senzorima uključuju rezonantne membrane, rezonantne grede, dvo-fiksne vilice za ugađanje i tako dalje. Među njima, rezonantna zraka i strukture vibrirajuće vilice za ugađanje najčešće se koriste u mikro-rezonantnim senzorima tlaka i senzorima akcelerometara.
U silicijskim mikro-rezonantnim senzorima tlaka, rezonantna-osjetljiva struktura obično se dijeli na dvije klasične metode implementacije prema tome je li veličina koja se mjeri u izravnom kontaktu s njom:
Jedna je struktura rezonantne membrane, kao što je prikazano na donjoj slici. U ovoj strukturi tlak izravno djeluje na rezonantnu dijafragmu, mijenjajući njenu ekvivalentnu krutost, a vibraciju pobuđuju elementi pobude postavljeni na samoj dijafragmi. Ova struktura ima jednostavne procesne zahtjeve. Međutim, budući da je sama dijafragma u izravnom kontaktu s mjerenim medijem, za strukture dijafragme na mikronskoj ili čak nanometarskoj razini potrebno je razmotriti problem disipacije vibracijske energije uzrokovane količinom koju treba mjeriti.
Drugi pristup je kompozitna osjetljiva struktura sastavljena od dijafragme-osjetljive na pritisak i rezonatora. U ovoj strukturi, rezonantni osjetljivi element obično se postavlja na odgovarajući položaj na dijafragmi-osjetljivoj na pritisak i odgovoran je za neizravno očitavanje količine koja se mjeri. Pod djelovanjem tlačnog opterećenja dijafragma se deformira, što dovodi do promjene aksijalnog naprezanja osjetljivog elementa i time do promjene njegove rezonantne frekvencije. Izvanredna prednost kompozitne osjetljive strukture je u tome što je rezonantni osjetljivi element izoliran od mjerenog medija, čime se izbjegava izravan utjecaj potonjeg. Štoviše, osjetljivi element može raditi u vakuumskom okruženju, što je korisno za održavanje relativno visokog faktora kvalitete. Osim toga, raspon mjerenja može se promijeniti odgovarajućim podešavanjem strukturnih parametara dijafragme osjetljive na tlak-.
Rezonantno osjetljivi materijali
Trenutno, uz kontinuirani razvoj MEMS tehnologije i promjene u uvjetima okoline primjene senzora, zahtjevi za veličinom mikro-rezonantnih senzora postupno rastu. Među njima, veličina rezonantne-osjetljive strukture postupno prelazi s mikronske razine na nanometarsku. Međutim, fizikalna svojstva silicijevih materijala nisu besprijekorna. Kada se njegova debljina smanji na nekoliko stotina nanometara, sklona je pojava defekata i problemi kao što su poteškoće u kontroli kvalitete uređaja i loša ujednačenost. Stoga je itekako potrebno tražiti nova rješenja.
Uz aktivno istraživanje domaćih i inozemnih istraživača, nemali broj nanomaterijala, poput dijamantnih i ugljikovih nanocijevi, primijenjen je u području mikro/nano-elektromehaničkih senzora. Međutim, postoji relativno malo literaturnih izvješća vezanih uz rezonantne senzore. U posljednjih nekoliko godina, grafen, nanomaterijal u nastajanju, privukao je široku pozornost stručnjaka i znanstvenika u području senzora zbog svojih jedinstvenih mehaničkih, električnih, optičkih i drugih svojstava. Donio je nove istraživačke ideje i prilike za razvoj novih vrsta mikro-rezonantnih senzora, pa čak i nano-elektromehaničkih rezonantnih senzora, a očekuje se da će zamijeniti silikonske materijale i pokrenuti revolucionarne promjene u području rezonantnih senzora.