Senzori de rezonanțăsunt un tip de senzori cvasi-digitali care utilizează mărimea fizică măsurată pentru a modifica caracteristicile rezonante ale structurii sensibile la rezonanță și a emite direct semnale de frecvență. Acești senzori funcționează în starea de rezonanță mecanică a structurii sensibile rezonante (cunoscut și ca rezonator sau element rezonant), sunt mai puțin afectați de modificările parametrilor externi ai circuitului și posedă o rezoluție relativ mare, stabilitate și capacitate anti-interferențe.
În faza incipientă, senzorii rezonanți foloseau în principal materiale precum metalul sau cuarțul pentru a pregăti structuri sensibile la rezonanță, cum ar fi cilindrii rezonanți, diafragmele rezonante și diapazonele compuse. În mod corespunzător, dimensiunile produselor cu senzori relevante au fost mari și consumul lor de energie a fost mare. De la sfârșitul anilor 1980, unele companii internaționale bine-cunoscute au profitat de proprietățile fizice excelente ale materialelor din siliciu și s-au combinat cu tehnici de procesare MEMS (Micro{-Electro-Sisteme mecanice) pentru a fabrica senzori rezonanți micro{-de siliciu. Dimensiunile caracteristice ale acestor senzori pot atinge nivelul de microni sau chiar sub{8}}micron. Reprezentanții tipici ai acestui tip de senzori sunt senzorii de presiune micro-rezonanți din siliciu și accelerometrele micro-rezonanți din siliciu.
Senzorii micro-rezonanți din siliciu nu numai că posedă performanța excelentă a senzorilor rezonanți generali, dar au și caracteristicile de dimensiuni mici, consum redus de energie, răspuns dinamic rapid, integrare ușoară și producție în masă. Prin urmare, ele sunt utilizate pe scară largă în domenii precum controlul industrial, electronicele de larg consum și aerospațiale. Odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei de procesare MEMS și creșterea continuă a cerințelor aplicațiilor practice, senzorii micro-rezonanți continuă să se dezvolte spre înaltă performanță, sensibilitate ridicată, miniaturizare și chiar direcția sistemelor nano-electromecanice (NEMS). Cu toate acestea, deoarece micro-structurile de siliciu sunt predispuse la defecte atunci când sunt reduse la câteva sute de nanometri, este dificil să se reducă și mai mult dimensiunea caracteristică a senzorilor corespunzători, ceea ce limitează performanța de măsurare și câmpurile de aplicare ale senzorilor micro-rezonanți din siliciu. Prin urmare, explorarea de noi materiale care pot fi utilizate pentru performanțe excelente și dimensiuni reduse și dezvoltarea de noi tipuri de senzori rezonanți a devenit în mod natural o potențială tendință de dezvoltare a senzorilor micro-rezonanți.
Teorii fundamentale ale senzorilor de rezonanță micro - din siliciu
Mecanism senzitiv rezonant
Principiul de funcționare al senzorilor rezonanți constă în utilizarea principiului de feedback pozitiv - pentru a forma un sistem autoexcitat cu buclă închisă - - care include un rezonator, o unitate de excitare/detecție și o unitate de amplificare, așa cum se arată în figura de mai jos. Printre acestea, structura sensibilă rezonantă - este partea centrală a sistemului de buclă închisă - și funcționează în propriul mod natural de vibrație. Unitatea de excitație generează un semnal de excitație pentru a determina structura sensibilă rezonantă - să producă vibrații mecanice. Unitatea de detectare preia semnalul de vibrație și îl transformă într-un semnal electric. După ce a fost procesat de unitatea de amplificare, este transformat într-o forță de excitare prin unitatea de excitare și alimentat pozitiv înapoi la rezonator pentru a menține vibrația stabilă de frecvență - a rezonatorului la frecvența sa de rezonanță. Mărimea măsurată modulează starea rezonantă a rezonatorului într-un anumit mod. Măsurând semnalul de frecvență de ieșire -, mărimea mărimii măsurate poate fi calculată. Pentru senzorii micro - rezonanți, structurile lor sensibile rezonante - sunt pregătite prin tehnologia de micro - prelucrare, iar dimensiunile lor geometrice pot ajunge de ordinul a câteva sute sau chiar zeci de micrometri. Prin proiectarea unei structuri sensibile rezonante rezonabile -, combinată cu mai mulți parametri sensibili, cum ar fi frecvența vibrațiilor, faza și amplitudinea rezonatorului, poate fi realizată măsurarea diferitelor mărimi fizice, cum ar fi forța, accelerația și viteza unghiulară.
Proiectarea structurilor-sensibile rezonante
Structura-sensibilă rezonantă este componenta de bază a diverșilor senzori rezonanți și este responsabilă pentru detectarea directă sau indirectă a mărimii de măsurat. Designul său va afecta în mod direct precizia măsurării, sensibilitatea, performanța dinamică și alți indicatori ai senzorului. În ceea ce privește formele structurale, structurile micro-sensibile utilizate în mod obișnuit în senzorii micro-rezonanți includ membrane rezonante, grinzi rezonante, diapazon fixe cu două-capete și așa mai departe. Dintre acestea, fasciculul rezonant și structurile vibratoare ale diapazonului sunt cele mai utilizate la senzorii de presiune micro-rezonanți și la senzorii accelerometru.
În senzorii de presiune micro-rezonanți din siliciu, structura-sensibilă rezonantă este de obicei împărțită în două metode clasice de implementare, în funcție de faptul dacă cantitatea de măsurat este în contact direct cu aceasta:
Una este structura membranei rezonante, așa cum se arată în figura de mai jos. În această structură, presiunea acționează direct asupra diafragmei rezonante, modificându-i rigiditatea echivalentă, iar vibrația este excitată de elementele de excitație fixate pe diafragma însăși. Această structură are cerințe simple de proces. Cu toate acestea, deoarece diafragma în sine este în contact direct cu mediul măsurat, pentru structurile diafragmei la nivel de microni sau chiar nanometru, trebuie luată în considerare problema disipării energiei de vibrație cauzată de cantitatea de măsurat.
O altă abordare este o structură compozită sensibilă compusă dintr-o diafragmă-sensibilă la presiune și un rezonator. În această structură, elementul sensibil rezonant este de obicei plasat într-o poziție adecvată pe diafragma-sensibilă la presiune și este responsabil pentru detectarea indirectă a mărimii de măsurat. Sub acțiunea sarcinii de presiune, diafragma se deformează, rezultând o modificare a tensiunii axiale a elementului sensibil și astfel alterându-i frecvența de rezonanță. Avantajul remarcabil al structurii compozite sensibile este că elementul sensibil rezonant este izolat de mediul măsurat, evitându-se influența directă a acestuia din urmă. Mai mult, elementul sensibil poate funcționa într-un mediu de vid, ceea ce este benefic pentru menținerea unui factor de calitate relativ ridicat. În plus, domeniul de măsurare poate fi modificat prin ajustarea adecvată a parametrilor structurali ai diafragmei-sensibile la presiune.
Materiale sensibile rezonante
În prezent, odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei MEMS și cu schimbările în condițiile de mediu de aplicare ale senzorilor, cerințele pentru dimensiunea senzorilor micro-rezonanți cresc treptat. Printre acestea, dimensiunea structurii-sensibile rezonante trece treptat de la nivelul micronului la nivelul nanometrului. Cu toate acestea, proprietățile fizice ale materialelor din siliciu nu sunt impecabile. Atunci când grosimea sa este redusă la câteva sute de nanometri, sunt predispuse să apară defecte și este probabil să apară probleme precum dificultatea de a controla calitatea dispozitivului și uniformitatea slabă. Prin urmare, este destul de necesar să se caute soluții noi.
Odată cu explorarea activă a cercetătorilor autohtoni și străini, un număr destul de mare de nanomateriale, cum ar fi nanotuburile de diamant și de carbon, au fost aplicate în domeniul senzorilor micro/nano-electromecanici. Cu toate acestea, există relativ puține rapoarte din literatură legate de senzorii rezonanți. În ultimii câțiva ani, grafenul, un nanomaterial în curs de dezvoltare, a atras atenția pe scară largă din partea experților și savanților din domeniul senzorilor datorită proprietăților sale mecanice, electrice, optice și de altă natură unice. A adus noi idei de cercetare și oportunități pentru dezvoltarea de noi tipuri de senzori micro-rezonanți și chiar senzori rezonanți nano{-electromecanici și este de așteptat să înlocuiască materialele din siliciu și să declanșeze schimbări revoluționare în domeniul senzorilor rezonanți.