Czujniki rezonansoweto rodzaj quasi-cyfrowych czujników, które wykorzystują zmierzoną wielkość fizyczną do zmiany charakterystyki rezonansowej wrażliwej na rezonans struktury i bezpośrednio wysyłają sygnały częstotliwościowe. Czujniki te działają w mechanicznym stanie rezonansowym wrażliwej na rezonans struktury (znanej również jako rezonator lub element rezonansowy), są mniej podatne na zmiany parametrów obwodu zewnętrznego i charakteryzują się stosunkowo wysoką rozdzielczością, stabilnością i zdolnością zwalczania-zakłóceń.
Na wczesnym etapie w czujnikach rezonansowych wykorzystywano głównie materiały takie jak metal lub kwarc do przygotowania wrażliwych na rezonans struktur, takich jak cylindry rezonansowe, membrany rezonansowe i złożone widełki kamertonowe. Odpowiednio rozmiary odpowiednich produktów z czujnikami były duże, a ich zużycie energii wysokie. Od końca lat 80. niektóre-znane międzynarodowe firmy wykorzystały doskonałe właściwości fizyczne materiałów krzemowych i w połączeniu z technikami przetwarzania MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) stworzyły krzemowe czujniki rezonansowe o mikro-strukturze. Charakterystyczne wymiary tych czujników mogą sięgać poziomu mikrona lub nawet sub-mikrona. Typowymi przedstawicielami tego typu czujników są krzemowe mikro-rezonansowe czujniki ciśnienia i krzemowe mikro-rezonansowe akcelerometry.
Mikro-czujniki rezonansowe krzemu nie tylko charakteryzują się doskonałą wydajnością zwykłych czujników rezonansowych, ale także charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, niskim zużyciem energii, szybką reakcją dynamiczną, łatwą integracją i produkcją masową. Dlatego są szeroko stosowane w takich dziedzinach, jak sterowanie przemysłowe, elektronika użytkowa i lotnictwo. Wraz z ciągłym rozwojem technologii przetwarzania MEMS i ciągłym wzrostem wymagań praktycznych zastosowań, czujniki mikro-rezonansowe nadal rozwijają się w kierunku wysokiej wydajności, wysokiej czułości, miniaturyzacji, a nawet w kierunku nano-systemów elektromechanicznych (NEMS). Ponieważ jednak mikro-struktury krzemowe są podatne na defekty po zmniejszeniu do rozmiarów kilkuset nanometrów, trudno jest dalej zmniejszać charakterystyczny rozmiar odpowiednich czujników, co ogranicza wydajność pomiarową i pola zastosowań mikroczujników-rezonansowych krzemu. Dlatego odkrywanie nowych materiałów, które można zastosować w celu uzyskania doskonałej wydajności i małych rozmiarów, oraz opracowywanie nowych typów czujników rezonansowych w naturalny sposób stało się potencjalnym trendem rozwojowym czujników mikro-rezonansowych.
Podstawowe teorie krzemowych mikroczujników rezonansowych -
Mechanizm wrażliwy na rezonans
Zasada działania czujników rezonansowych polega na wykorzystaniu zasady dodatniego - sprzężenia zwrotnego w celu utworzenia układu samowzbudnego z zamkniętą pętlą -, w której znajduje się rezonator, jednostka wzbudzająca/detekcyjna i jednostka wzmacniająca, jak pokazano na poniższym rysunku. Wśród nich rezonansowa struktura wrażliwa na - stanowi rdzeń systemu zamkniętej pętli - i działa we własnym trybie naturalnych wibracji. Jednostka wzbudzająca generuje sygnał wzbudzenia, który powoduje, że wrażliwa na rezonans - konstrukcja wytwarza wibracje mechaniczne. Jednostka detekcyjna odbiera sygnał wibracyjny i przetwarza go na sygnał elektryczny. Po przetworzeniu przez jednostkę wzmacniającą jest ona przekształcana w siłę wzbudzenia przez jednostkę wzbudzającą i dodatnio przekazywana z powrotem do rezonatora w celu utrzymania stabilnej częstotliwości drgań rezonatora - przy jego częstotliwości rezonansowej. Zmierzona wielkość moduluje stan rezonansowy rezonatora w określony sposób. Mierząc wyjściowy sygnał częstotliwościowy -, można obliczyć wielkość mierzonej wielkości. W przypadku mikroczujników rezonansowych - ich czułe struktury rezonansowe - są przygotowywane w technologii mikro- obróbki, a ich wymiary geometryczne mogą sięgać rzędu kilkuset, a nawet kilkudziesięciu mikrometrów. Dzięki zaprojektowaniu rozsądnej struktury rezonansowej - w połączeniu z wieloma czułymi parametrami, takimi jak częstotliwość drgań, faza i amplituda rezonatora, można zrealizować pomiar różnych wielkości fizycznych, takich jak siła, przyspieszenie i prędkość kątowa.
Projektowanie-wrażliwych struktur rezonansowych
Rezonansowa-czuła struktura jest głównym elementem różnych czujników rezonansowych i jest odpowiedzialna za bezpośrednie lub pośrednie wykrywanie mierzonej wielkości. Jego konstrukcja będzie miała bezpośredni wpływ na dokładność pomiaru, czułość, dynamikę i inne wskaźniki czujnika. Jeśli chodzi o formy strukturalne, powszechnie stosowane mikro-czułe struktury w mikro-czujnikach rezonansowych obejmują membrany rezonansowe, belki rezonansowe, nieruchome kamertony-dwustronnie zakończone i tak dalej. Wśród nich belki rezonansowej i wibrujące kamertony są najczęściej stosowane w mikro-rezonansowych czujnikach ciśnienia i czujnikach akcelerometru.
W krzemowych mikro-rezonansowych czujnikach ciśnienia czułą-rezonansową strukturę dzieli się zwykle na dwie klasyczne metody realizacji w zależności od tego, czy mierzona wielkość styka się z nią bezpośrednio:
Jedną z nich jest struktura membrany rezonansowej, jak pokazano na poniższym rysunku. W tej konstrukcji ciśnienie działa bezpośrednio na membranę rezonansową, zmieniając jej sztywność zastępczą, a drgania wzbudzane są przez elementy wzbudzające umieszczone na samej membranie. Struktura ta ma proste wymagania procesowe. Jednakże, ponieważ sama membrana ma bezpośredni kontakt z mierzonym ośrodkiem, w przypadku struktur membrany na poziomie mikrona, a nawet nanometra, należy rozważyć problem rozpraszania energii drgań spowodowanej mierzoną wielkością.
Innym podejściem jest wrażliwa struktura kompozytowa składająca się z-wrażliwej na ciśnienie membrany i rezonatora. W tej strukturze element wrażliwy na rezonans jest zwykle umieszczany w odpowiednim miejscu na membranie-czułej na ciśnienie i jest odpowiedzialny za pośrednie wykrywanie mierzonej wielkości. Pod wpływem obciążenia ciśnieniem membrana odkształca się, co powoduje zmianę naprężenia osiowego czułego elementu i tym samym zmianę jego częstotliwości rezonansowej. Wyjątkową zaletą kompozytowej struktury czułej jest to, że czuły element rezonansowy jest odizolowany od mierzonego ośrodka, unikając jego bezpośredniego wpływu. Ponadto czuły element może pracować w środowisku próżniowym, co jest korzystne dla utrzymania stosunkowo wysokiego współczynnika jakości. Ponadto zakres pomiarowy można zmieniać poprzez odpowiednie dostosowanie parametrów konstrukcyjnych membrany-wrażliwej na ciśnienie.
Materiały wrażliwe na rezonans
Obecnie, wraz z ciągłym rozwojem technologii MEMS i zmianami warunków środowiskowych zastosowań czujników, wymagania dotyczące wielkości czujników mikro-rezonansowych stopniowo rosną. Wśród nich rozmiar-wrażliwej struktury rezonansowej stopniowo przechodzi z poziomu mikronów do poziomu nanometrów. Jednakże właściwości fizyczne materiałów krzemowych nie są doskonałe. Gdy jego grubość zostanie zmniejszona do kilkuset nanometrów, istnieje ryzyko pojawienia się defektów i problemów, takich jak trudności w kontrolowaniu jakości urządzenia i słaba jednorodność. Dlatego konieczne jest poszukiwanie nowych rozwiązań.
Dzięki aktywnym badaniom badaczy krajowych i zagranicznych sporo nanomateriałów, takich jak nanorurki diamentowe i węglowe, znalazło zastosowanie w dziedzinie mikro/nano-czujników elektromechanicznych. Jednakże istnieje stosunkowo niewiele doniesień literaturowych dotyczących czujników rezonansowych. W ciągu ostatnich kilku lat grafen, powstający nanomateriał, przyciągnął szerokie zainteresowanie ekspertów i naukowców w dziedzinie czujników ze względu na jego wyjątkowe właściwości mechaniczne, elektryczne, optyczne i inne. Przyniosło to nowe pomysły badawcze i możliwości opracowania nowych typów mikro-czujników rezonansowych, a nawet nano-elektromechanicznych czujników rezonansowych i oczekuje się, że zastąpi materiały krzemowe i wywoła rewolucyjne zmiany w dziedzinie czujników rezonansowych.