Rezonantni senzorisu vrsta kvazi-digitalnih senzora koji koriste izmjerenu fizičku veličinu za promjenu rezonantnih karakteristika rezonantne osjetljive strukture i direktno izlaze signale frekvencije. Ovi senzori rade u mehaničkom rezonantnom stanju rezonantne osjetljive strukture (također poznate kao rezonator ili rezonantni element), manje su pod utjecajem promjena vanjskih parametara kola i posjeduju relativno visoku rezoluciju, stabilnost i sposobnost protiv -smetnji.
U ranoj fazi, rezonantni senzori su uglavnom koristili materijale kao što su metal ili kvarc za pripremu rezonantnih osjetljivih struktura, kao što su rezonantni cilindri, rezonantne dijafragme i složene viljuške za podešavanje. Shodno tome, veličine relevantnih senzorskih proizvoda bile su velike, a njihova potrošnja energije velika. Od kasnih 1980-ih, neke-poznate međunarodne kompanije su iskoristile izvrsna fizička svojstva silicijumskih materijala i u kombinaciji sa MEMS (Mikro-Elektro-Mehanički sistemi) tehnikama obrade za proizvodnju silicijumskih mikro-strukturiranih rezonantnih senzora. Karakteristične dimenzije ovih senzora mogu doseći mikronski ili čak ispod{8}}mikronski nivo. Tipični predstavnici ove vrste senzora su silicijumski mikro-rezonantni senzori pritiska i silicijumski mikro-rezonantni akcelerometri.
Silicijumski mikro-rezonantni senzori ne samo da poseduju odlične performanse opštih rezonantnih senzora, već imaju i karakteristike male veličine, niske potrošnje energije, brzog dinamičkog odziva, lake integracije i masovne proizvodnje. Zbog toga se široko koriste u oblastima kao što su industrijska kontrola, potrošačka elektronika i vazduhoplovstvo. Uz kontinuirani razvoj MEMS tehnologije obrade i kontinuirano povećanje zahtjeva za praktičnu primjenu, mikro-rezonantni senzori nastavljaju da se razvijaju prema visokim performansama, visokoj osjetljivosti, minijaturizaciji, pa čak i u pravcu nano-elektromehaničkih sistema (NEMS). Međutim, pošto su silicijumske mikro-strukture sklone defektima kada se smanje na nekoliko stotina nanometara, teško je dalje smanjiti karakterističnu veličinu odgovarajućih senzora, što ograničava performanse mjerenja i polja primjene silicijumskih mikro-rezonantnih senzora. Stoga je istraživanje novih materijala koji se mogu koristiti za odlične performanse i male veličine i razvoj novih tipova rezonantnih senzora prirodno postalo potencijalni trend razvoja mikro-rezonantnih senzora.
Fundamentalne teorije silicijumskih mikro - rezonantnih senzora
Rezonantni osjetljivi mehanizam
Princip rada rezonantnih senzora leži u korištenju principa pozitivne - povratne sprege za formiranje zatvorenog - samopobuđenog sistema - koji uključuje rezonator, jedinicu pobude/detekcije i jedinicu za pojačavanje, kao što je prikazano na slici ispod. Među njima, rezonantna - osjetljiva struktura je jezgro sistema zatvorene petlje - i radi u vlastitom načinu rada prirodne vibracije. Pobudna jedinica generiše pobudni signal da izazove rezonantnu - osjetljivu strukturu da proizvede mehaničku vibraciju. Jedinica za detekciju hvata njegov signal vibracije i pretvara ga u električni signal. Nakon što ga obradi jedinica za pojačavanje, pretvara se u pobudnu silu kroz pobudnu jedinicu i pozitivno se vraća nazad u rezonator kako bi se održala stabilna vibracija - frekvencije rezonatora na njegovoj rezonantnoj frekvenciji. Izmjerena veličina modulira rezonantno stanje rezonatora na određeni način. Mjerenjem signala izlazne frekvencije - može se izračunati veličina mjerene veličine. Za mikro - rezonantne senzore, njihove rezonantne - osjetljive strukture se pripremaju mikro - tehnologijom obrade, a njihove geometrijske dimenzije mogu doseći red nekoliko stotina ili čak desetina mikrometara. Kroz dizajn razumne rezonantne - osjetljive strukture, u kombinaciji s više osjetljivih parametara kao što su frekvencija vibracije, faza i amplituda rezonatora, može se realizirati mjerenje različitih fizičkih veličina kao što su sila, ubrzanje i ugaona brzina.
Dizajn rezonantnih{0}}osjetljivih struktura
Rezonantna-osetljiva struktura je osnovna komponenta različitih rezonantnih senzora i odgovorna je za direktno ili indirektno detektovanje količine koja se meri. Njegov dizajn će direktno uticati na tačnost merenja, osetljivost, dinamičke performanse i druge pokazatelje senzora. Što se tiče strukturnih oblika, najčešće korištene mikro-osjetljive strukture u mikro-rezonantnim senzorima uključuju rezonantne membrane, rezonantne zrake, dvostrane fiksne viljuške za podešavanje i tako dalje. Među njima, rezonantni snop i vibrirajuće strukture viljuške se najviše koriste u mikro-rezonantnim senzorima pritiska i senzorima akcelerometara.
U silicijumskim mikro-rezonantnim senzorima pritiska, rezonantna-osetljiva struktura se obično deli na dve klasične metode implementacije prema tome da li je količina koja se meri u direktnom kontaktu sa njom:
Jedna je struktura rezonantne membrane, kao što je prikazano na slici ispod. U ovoj strukturi, pritisak direktno deluje na rezonantnu dijafragmu, menjajući 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 direktnom kontaktu s mjerenim medijem, za strukture dijafragme na mikronskom ili čak nanometarskom nivou, potrebno je razmotriti problem disipacije energije vibracija uzrokovanog količinom koja se mjeri.
Drugi pristup je kompozitna osjetljiva struktura sastavljena od dijafragme osjetljive-na pritisak i rezonatora. U ovoj strukturi, rezonantni osjetljivi element se obično postavlja na odgovarajuću poziciju na dijafragmi osjetljivoj na pritisak-i odgovoran je za indirektno osjetilo količinu koja se mjeri. Pod djelovanjem tlačnog opterećenja, dijafragma se deformira, što rezultira promjenom aksijalnog naprezanja osjetljivog elementa i time mijenja njegovu rezonantnu frekvenciju. Izvanredna prednost kompozitne osjetljive strukture je u tome što je rezonantni osjetljivi element izoliran od mjerenog medija, izbjegavajući direktan utjecaj potonjeg. Osim toga, osjetljivi element može raditi u vakuumskom okruženju, što je korisno za održavanje relativno visokog faktora kvalitete. Osim toga, opseg mjerenja se može promijeniti odgovarajućim podešavanjem strukturnih parametara dijafragme osjetljive na pritisak{7}}.
Rezonantno osjetljivi materijali
Trenutno, sa kontinuiranim razvojem MEMS tehnologije i promjenama u uvjetima okoline primjene senzora, zahtjevi za veličinom mikro-rezonantnih senzora se postepeno povećavaju. Među njima, veličina rezonantne-osetljive strukture postepeno prelazi sa nivoa mikrona na nivo nanometara. Međutim, fizička svojstva silikonskih materijala nisu besprijekorna. Kada se njegova debljina smanji na nekoliko stotina nanometara, dolazi do defekta i vjerovatno će se pojaviti problemi kao što su poteškoće u kontroli kvalitete uređaja i loša uniformnost. Stoga je neophodno tražiti nova rješenja.
Uz aktivno istraživanje domaćih i stranih istraživača, u oblasti mikro/nano{0}}elektromehaničkih senzora primijenjen je veliki broj nanomaterijala, poput dijamanata i karbonskih nanocijevi. Međutim, postoji relativno malo literaturnih izvještaja vezanih za rezonantne senzore. U posljednjih nekoliko godina, grafen, nanomaterijal u nastajanju, privukao je široku pažnju stručnjaka i naučnika u oblasti senzora zbog svojih jedinstvenih mehaničkih, električnih, optičkih i drugih svojstava. Donio je nove istraživačke ideje i mogućnosti za razvoj novih tipova mikro-rezonantnih senzora, pa čak i nano-elektromehaničkih rezonantnih senzora, a očekuje se da će zamijeniti silicijumske materijale i pokrenuti revolucionarne promjene u oblasti rezonantnih senzora.