Резонансни сензориса вид квази-цифрови сензори, които използват измерената физическа величина, за да променят резонансните характеристики на резонансната чувствителна структура и директно извеждат честотни сигнали. Тези сензори работят в механично резонансно състояние на резонансно чувствителната структура (известна също като резонатор или резонансен елемент), по-малко се влияят от промените във външните параметри на веригата и притежават относително висока разделителна способност, стабилност и способност срещу -смущения.
В ранния етап резонансните сензори основно използват материали като метал или кварц за подготовка на резонансни чувствителни структури, като резонансни цилиндри, резонансни диафрагми и сложни камертони. Съответно, размерите на съответните сензорни продукти бяха големи и тяхната консумация на енергия беше висока. От края на 1980 г. някои добре-известни международни компании се възползваха от отличните физически свойства на силициевите материали и комбинираха с MEMS (микро-електро-механични системи) техники за обработка, за да изработят силициеви микро-структурирани резонансни сензори. Характерните размери на тези сензори могат да достигнат микронно или дори под-микронно ниво. Типичните представители на този тип сензори са силиконовите микро-резонансни сензори за налягане и силициевите микро-резонансни акселерометри.
Силиконовите микро-резонансни сензори не само притежават отличното представяне на обикновените резонансни сензори, но също така имат характеристиките на малък размер, ниска консумация на енергия, бърза динамична реакция, лесна интеграция и масово производство. Поради това те се използват широко в области като промишлен контрол, битова електроника и космическото пространство. С непрекъснатото развитие на технологията за обработка на MEMS и непрекъснатото увеличаване на изискванията за практическо приложение, микро-резонансните сензори продължават да се развиват към висока производителност, висока чувствителност, миниатюризация и дори посоката на нано-електромеханични системи (NEMS). Въпреки това, тъй като силициевите микро-структури са склонни към дефекти, когато са намалени до няколко стотин нанометра, е трудно допълнително да се намали характерният размер на съответните сензори, което ограничава ефективността на измерване и полетата на приложение на силициевите микро-резонансни сензори. Следователно, изследването на нови материали, които могат да се използват за отлична производителност и малък размер, и разработването на нови видове резонансни сензори естествено се превърна в потенциална тенденция за развитие на микро-резонансни сензори.
Фундаментални теории за силиконовите микро - резонансни сензори
Резонансен чувствителен механизъм
Принципът на работа на резонансните сензори се крие в използването на принципа на положителната - обратна връзка за образуване на затворена - верига - самовъзбуждаща се система, която включва резонатор, блок за възбуждане/откриване и блок за усилване, както е показано на фигурата по-долу. Сред тях резонансната - чувствителна структура е основната част на затворената - контурна система и работи в собствен режим на естествена вибрация. Възбуждащият модул генерира възбуждащ сигнал, за да накара резонансната - чувствителна структура да произвежда механични вибрации. Устройството за откриване улавя неговия вибрационен сигнал и го преобразува в електрически сигнал. След като бъде обработено от усилващия блок, то се преобразува във възбуждаща сила през възбуждащия блок и се подава положително обратно към резонатора, за да поддържа стабилната - честотна вибрация на резонатора при неговата резонансна честота. Измерената величина модулира резонансното състояние на резонатора по определен начин. Чрез измерване на изходния - честотен сигнал може да се изчисли величината на измереното количество. За микро - резонансни сензори, техните резонансни - чувствителни структури са подготвени чрез микро - технология за обработка и техните геометрични размери могат да достигнат от порядъка на няколко стотици или дори десетки микрометра. Чрез проектирането на разумна резонансна - чувствителна структура, комбинирана с множество чувствителни параметри като честотата на вибрациите, фазата и амплитудата на резонатора, може да се реализира измерването на различни физически величини като сила, ускорение и ъглова скорост.
Проектиране на резонансни-чувствителни структури
Резонансно{0}}чувствителната структура е основният компонент на различни резонансни сензори и е отговорна за прякото или непряко отчитане на количеството, което трябва да се измери. Неговият дизайн ще повлияе пряко на точността на измерване, чувствителността, динамичната производителност и други показатели на сензора. По отношение на структурните форми, често използваните микро-чувствителни структури в микро-резонансните сензори включват резонансни мембрани, резонансни лъчи, двойни-фиксирани камертони и т.н. Сред тях структурите на резонансния лъч и вибриращия камертон са най-широко използвани в микро-резонансни сензори за налягане и сензори за акселерометър.
В силициевите микро-резонансни сензори за налягане резонансната-чувствителна структура обикновено се разделя на два класически метода за изпълнение според това дали количеството, което трябва да се измери, е в пряк контакт с нея:
Едната е резонансната мембранна структура, както е показано на фигурата по-долу. В тази структура налягането директно действа върху резонансната диафрагма, променяйки нейната еквивалентна коравина, а вибрациите се възбуждат от възбудителните елементи, поставени върху самата диафрагма. Тази структура има прости изисквания към процеса. Въпреки това, тъй като самата диафрагма е в пряк контакт с измерваната среда, за диафрагмени структури на микронно или дори нанометрово ниво трябва да се вземе предвид проблемът с разсейването на енергията на вибрациите, причинено от количеството, което трябва да се измери.
Друг подход е композитна чувствителна структура, съставена от-чувствителна на натиск диафрагма и резонатор. В тази структура резонансният чувствителен елемент обикновено се поставя на подходящо място върху-чувствителната на натиск диафрагма и е отговорен за индиректното отчитане на количеството, което трябва да се измери. Под действието на натоварването от натиск диафрагмата се деформира, което води до промяна в аксиалното напрежение на чувствителния елемент и по този начин се променя неговата резонансна честота. Изключителното предимство на композитната чувствителна структура е, че резонансният чувствителен елемент е изолиран от измерваната среда, като се избягва прякото влияние на последната. Освен това чувствителният елемент може да работи във вакуумна среда, което е от полза за поддържане на относително висок качествен фактор. Освен това обхватът на измерване може да се променя чрез подходящо регулиране на структурните параметри на чувствителната-на налягане диафрагма.
Резонансно чувствителни материали
Понастоящем, с непрекъснатото развитие на технологията MEMS и промените в условията на околната среда на приложението на сензорите, изискванията за размера на микро-резонансните сензори постепенно нарастват. Сред тях размерът на резонансно-чувствителната структура постепенно преминава от микронно ниво към нанометрово ниво. Въпреки това, физическите свойства на силициевите материали не са безупречни. Когато дебелината му се намали до няколкостотин нанометра, има вероятност да се появят дефекти и е вероятно да възникнат проблеми като трудност при контролиране на качеството на устройството и лоша еднородност. Ето защо е необходимо да се търсят нови решения.
С активното изследване на местни и чуждестранни изследователи доста голям брой наноматериали, като диамантени и въглеродни нанотръби, са приложени в областта на микро/нано-електромеханичните сензори. Има обаче относително малко литературни доклади, свързани с резонансни сензори. През последните няколко години графенът, нововъзникващ наноматериал, привлече широко внимание от страна на експерти и учени в областта на сензорите поради своите уникални механични, електрически, оптични и други свойства. Той донесе нови изследователски идеи и възможности за разработване на нови типове микро-резонансни сензори и дори нано-електромеханични резонансни сензори и се очаква да замени силициевите материали и да предизвика революционни промени в областта на резонансните сензори.