Resonanssensorerer en type kvasi-digitale sensorer, der bruger den målte fysiske størrelse til at ændre resonansegenskaberne for den resonansfølsomme struktur og direkte udsende frekvenssignaler. Disse sensorer fungerer i den mekaniske resonanstilstand af den resonansfølsomme struktur (også kendt som en resonator eller et resonanselement), er mindre påvirket af ændringer i eksterne kredsløbsparametre og har relativt høj opløsning, stabilitet og anti-interferensevne.
I det tidlige stadie brugte resonanssensorer hovedsageligt materialer såsom metal eller kvarts til at forberede resonansfølsomme strukturer, såsom resonanscylindre, resonansmembraner og sammensatte stemmegafler. Tilsvarende var størrelserne på de relevante sensorprodukter store og deres strømforbrug højt. Siden slutningen af 1980'erne har nogle velkendte internationale virksomheder draget fordel af de fremragende fysiske egenskaber ved siliciummaterialer og kombineret med MEMS-behandlingsteknikker (Micro-Electro-Mechanical Systems) for at fremstille siliciummikro-strukturerede resonanssensorer. De karakteristiske dimensioner af disse sensorer kan nå mikron eller endda sub-mikron niveau. De typiske repræsentanter for denne type sensorer er siliciummikro-resonanstryksensorer og siliciummikro-resonansaccelerometre.
Silicium mikro-resonanssensorer besidder ikke kun den fremragende ydeevne som generelle resonanssensorer, men har også egenskaberne som lille størrelse, lavt strømforbrug, hurtig dynamisk respons, nem integration og masseproduktion. Derfor er de meget udbredt inden for områder som industriel kontrol, forbrugerelektronik og rumfart. Med den kontinuerlige udvikling af MEMS-behandlingsteknologi og den kontinuerlige stigning i praktiske anvendelseskrav fortsætter mikro-resonanssensorer med at udvikle sig mod høj ydeevne, høj følsomhed, miniaturisering og endda retningen af Nano-Electromechanical Systems (NEMS). Men da siliciummikro-strukturer er tilbøjelige til defekter, når de reduceres til et par hundrede nanometerstørrelser, er det vanskeligt yderligere at reducere den karakteristiske størrelse af de tilsvarende sensorer, hvilket begrænser måleydeevnen og anvendelsesfelterne for siliciummikro-resonanssensorer. Derfor er udforskning af nye materialer, der kan bruges til fremragende ydeevne og lille størrelse, og udvikling af nye typer resonanssensorer naturligt blevet en potentiel udviklingstendens for mikro-resonanssensorer.
Grundlæggende teorier om siliciummikro - resonanssensorer
Resonansfølsom mekanisme
Arbejdsprincippet for resonanssensorer ligger i udnyttelsen af det positive - feedback-princip til at danne et lukket - sløjfe selv - exciteret system, der inkluderer en resonator, en excitations-/detektionsenhed og en forstærkningsenhed, som vist i figuren nedenfor. Blandt dem er den resonante --følsomme struktur kernedelen af det lukkede --sløjfesystem og fungerer i sin egen naturlige vibrationstilstand. Excitationsenheden genererer et excitationssignal for at få den resonante --følsomme struktur til at producere mekanisk vibration. Detektionsenheden opfanger sit vibrationssignal og konverterer det til et elektrisk signal. Efter at være blevet behandlet af forstærkerenheden, omdannes den til en excitationskraft gennem excitationsenheden og føres positivt tilbage til resonatoren for at opretholde resonatorens stabile - frekvensvibration ved dens resonansfrekvens. Den målte mængde modulerer resonatorens resonanstilstand på en bestemt måde. Ved at måle output---frekvenssignalet kan størrelsen af den målte størrelse beregnes. For mikro --resonanssensorer er deres resonans---følsomme strukturer forberedt af mikro---bearbejdningsteknologi, og deres geometriske dimensioner kan nå op på flere hundrede eller endda titusinder af mikrometer. Gennem designet af en rimelig resonans---følsom struktur, kombineret med flere følsomme parametre såsom vibrationsfrekvens, fase og amplitude af resonatoren, kan måling af forskellige fysiske størrelser såsom kraft, acceleration og vinkelhastighed realiseres.
Design af resonante-følsomme strukturer
Den resonansfølsomme-struktur er kernekomponenten i forskellige resonanssensorer og er ansvarlig for direkte eller indirekte at registrere den mængde, der skal måles. Dens design vil direkte påvirke målenøjagtigheden, følsomheden, dynamisk ydeevne og andre indikatorer for sensoren. Med hensyn til strukturelle former omfatter de almindeligt anvendte mikro-følsomme strukturer i mikro-resonanssensorer resonansmembraner, resonansstråler, dobbelt- faste stemmegafler og så videre. Blandt dem er resonansstrålen og vibrerende stemmegaffelstrukturer mest udbredt i mikro-resonanstryksensorer og accelerometersensorer.
I siliciummikro-resonanstryksensorer er den resonans-følsomme struktur normalt opdelt i to klassiske implementeringsmetoder alt efter, om den mængde, der skal måles, er i direkte kontakt med den:
Den ene er resonansmembranstrukturen, som vist i figuren nedenfor. I denne struktur virker trykket direkte på resonansmembranen og ændrer dens ækvivalente stivhed, og vibrationen exciteres af excitationselementerne, der er sat på selve membranen. Denne struktur har enkle proceskrav. Men da membranen selv er i direkte kontakt med det målte medium, for membranstrukturer på mikron- eller endda nanometerniveau, skal problemet med vibrationsenergidissipation forårsaget af den mængde, der skal måles, overvejes.
En anden tilgang er en sammensat følsom struktur bestående af en tryk-følsom membran og en resonator. I denne struktur er det resonansfølsomme element sædvanligvis placeret i en passende position på den tryk-følsomme membran og er ansvarlig for indirekte at registrere den mængde, der skal måles. Under påvirkning af trykbelastningen deformeres membranen, hvilket resulterer i en ændring i den aksiale spænding af det følsomme element og dermed ændrer dets resonansfrekvens. Den enestående fordel ved den sammensatte følsomme struktur er, at det resonansfølsomme element er isoleret fra det målte medium, hvorved den direkte påvirkning fra sidstnævnte undgås. Desuden kan det følsomme element arbejde i et vakuummiljø, hvilket er gavnligt for at opretholde en relativt høj kvalitetsfaktor. Derudover kan måleområdet ændres ved at justere strukturparametrene for den tryk-følsomme membran.
Resonansfølsomme materialer
I øjeblikket stiger kravene til størrelsen af mikro-resonanssensorer gradvist med den kontinuerlige udvikling af MEMS-teknologi og ændringerne i applikationsmiljøforholdene for sensorer. Blandt dem skifter størrelsen af den resonans-følsomme struktur gradvist fra mikronniveau til nanometerniveau. Siliciummaterialernes fysiske egenskaber er dog ikke fejlfri. Når dens tykkelse reduceres til adskillige hundrede nanometer, er defekter tilbøjelige til at opstå, og der vil sandsynligvis opstå problemer såsom vanskeligheder med at kontrollere enhedens kvalitet og dårlig ensartethed. Derfor er det helt nødvendigt at søge nye løsninger.
Med indenlandske og udenlandske forskeres aktive udforskning er en lang række nanomaterialer, såsom diamant- og kulstofnanorør, blevet anvendt inden for mikro/nano-elektromekaniske sensorer. Der er dog relativt få litteraturrapporter relateret til resonanssensorer. I de sidste par år har grafen, et spirende nanomateriale, tiltrukket sig udbredt opmærksomhed fra eksperter og forskere på sensorområdet på grund af dets unikke mekaniske, elektriske, optiske og andre egenskaber. Det har bragt nye forskningsidéer og muligheder for udvikling af nye typer mikro-resonanssensorer og endda nano-elektromekaniske resonanssensorer og forventes at erstatte siliciummaterialer og udløse revolutionerende ændringer inden for resonanssensorer.