Resonanssensorerär en typ av kvasi-digitala sensorer som använder den uppmätta fysiska kvantiteten för att ändra resonansegenskaperna hos den resonanskänsliga strukturen och direkt mata ut frekvenssignaler. Dessa sensorer arbetar i det mekaniska resonanstillståndet för den resonanskänsliga strukturen (även känd som en resonator eller ett resonanselement), påverkas mindre av förändringar i externa kretsparametrar och har relativt hög upplösning, stabilitet och anti-interferensförmåga.
I det tidiga skedet använde resonanssensorer huvudsakligen material som metall eller kvarts för att förbereda resonanskänsliga strukturer, som resonanscylindrar, resonansmembran och sammansatta stämgafflar. På motsvarande sätt var storlekarna på de relevanta sensorprodukterna stora och deras strömförbrukning hög. Sedan slutet av 1980-talet har några välkända-internationella företag utnyttjat de utmärkta fysikaliska egenskaperna hos kiselmaterial och kombinerat med MEMS-tekniker (Micro-Electro-Mechanical Systems) för att tillverka kiselmikro-strukturerade resonanssensorer. De karakteristiska dimensionerna för dessa sensorer kan nå mikron eller till och med under-mikronnivå. De typiska representanterna för den här typen av sensorer är kiselmikro-resonanstrycksensorer och kiselmikro-resonansaccelerometrar.
Kiselmikro-resonanssensorer har inte bara den utmärkta prestandan hos allmänna resonanssensorer utan har också egenskaperna liten storlek, låg strömförbrukning, snabb dynamisk respons, enkel integrering och massproduktion. Därför används de i stor utsträckning inom områden som industriell kontroll, hemelektronik och flyg. Med den kontinuerliga utvecklingen av MEMS-behandlingsteknik och den kontinuerliga ökningen av praktiska tillämpningskrav fortsätter mikro-resonanssensorer att utvecklas mot hög prestanda, hög känslighet, miniatyrisering och till och med riktningen för Nano-Electromechanical Systems (NEMS). Men eftersom kiselmikro-strukturer är benägna att få defekter när de reduceras till några hundra nanometerstorlekar, är det svårt att ytterligare reducera den karakteristiska storleken för motsvarande sensorer, vilket begränsar mätprestanda och applikationsfält för kiselmikro-resonanssensorer. Att utforska nya material som kan användas för utmärkt prestanda och liten storlek och utveckla nya typer av resonanssensorer har naturligtvis blivit en potentiell utvecklingstrend för mikro-resonanssensorer.
Fundamental Theories of Silicon Micro - resonanssensorer
Resonanskänslig mekanism
Arbetsprincipen för resonanssensorer ligger i utnyttjandet av den positiva - återkopplingsprincipen för att bilda ett sluten - slinga själv - exciterat system som inkluderar en resonator, en excitations/detektionsenhet och en förstärkningsenhet, som visas i figuren nedan. Bland dem är den resonanskänsliga --strukturen kärndelen av det slutna --slingsystemet och fungerar i sitt eget naturliga vibrationsläge. Excitationsenheten genererar en excitationssignal för att få den resonanta --känsliga strukturen att producera mekanisk vibration. Detekteringsenheten fångar upp sin vibrationssignal och omvandlar den till en elektrisk signal. Efter att ha bearbetats av förstärkningsenheten omvandlas den till en excitationskraft genom excitationsenheten och återkopplas positivt till resonatorn för att bibehålla resonatorns stabila - frekvensvibration vid dess resonansfrekvens. Den uppmätta kvantiteten modulerar resonatorns resonanstillstånd på ett visst sätt. Genom att mäta utsignalen - frekvenssignal kan storleken på den uppmätta kvantiteten beräknas. För mikro - resonanssensorer är deras resonanskänsliga - strukturer förberedda med mikro - bearbetningsteknik, och deras geometriska dimensioner kan nå storleksordningen flera hundra eller till och med tiotals mikrometer. Genom utformningen av en rimlig resonanskänslig - struktur, kombinerat med flera känsliga parametrar som vibrationsfrekvens, fas och amplitud för resonatorn, kan mätningen av olika fysiska storheter som kraft, acceleration och vinkelhastighet realiseras.
Design av resonanta-känsliga strukturer
Den resonanskänsliga-strukturen är kärnkomponenten i olika resonanssensorer och är ansvarig för att direkt eller indirekt avkänna den kvantitet som ska mätas. Dess design kommer direkt att påverka mätnoggrannheten, känsligheten, dynamisk prestanda och andra indikatorer för sensorn. När det gäller strukturella former inkluderar de vanligen använda mikro-känsliga strukturerna i mikro-resonanssensorer resonansmembran, resonansstrålar, dubbel-fixerade stämgafflar och så vidare. Bland dem används resonansstrålen och den vibrerande stämgaffelstrukturen mest i mikro-resonanstrycksensorer och accelerometersensorer.
I kiselmikro-resonanstrycksensorer delas den resonanskänsliga-strukturen vanligtvis in i två klassiska implementeringsmetoder beroende på om mängden som ska mätas är i direkt kontakt med den:
En är resonansmembranstrukturen, som visas i figuren nedan. I denna struktur verkar trycket direkt på resonansmembranet och ändrar dess ekvivalenta styvhet, och vibrationen exciteras av excitationselementen som är inställda på själva membranet. Denna struktur har enkla processkrav. Men eftersom membranet i sig är i direkt kontakt med det uppmätta mediet, för membranstrukturer på mikron- eller till och med nanometernivå, måste problemet med vibrationsenergiavledning orsakad av den mängd som ska mätas beaktas.
Ett annat tillvägagångssätt är en sammansatt känslig struktur som består av ett tryck-känsligt membran och en resonator. I denna struktur är det resonanskänsliga elementet vanligtvis placerat i en lämplig position på det tryckkänsliga-membranet och är ansvarigt för att indirekt avkänna den kvantitet som ska mätas. Under inverkan av tryckbelastningen deformeras membranet, vilket resulterar i en förändring i den axiella spänningen hos det känsliga elementet och därmed ändrar dess resonansfrekvens. Den enastående fördelen med den sammansatta känsliga strukturen är att det resonanskänsliga elementet är isolerat från det uppmätta mediet, vilket undviker direkt påverkan från det senare. Dessutom kan det känsliga elementet arbeta i en vakuummiljö, vilket är fördelaktigt för att upprätthålla en relativt hög kvalitetsfaktor. Dessutom kan mätområdet ändras genom att på lämpligt sätt justera strukturparametrarna för det tryckkänsliga-membranet.
Resonanskänsliga material
För närvarande, med den kontinuerliga utvecklingen av MEMS-teknik och förändringarna i applikationsmiljöförhållandena för sensorer, ökar kraven på storleken på mikro-resonanssensorer gradvis. Bland dem övergår storleken på den resonanskänsliga-strukturen gradvis från mikronnivån till nanometernivån. De fysikaliska egenskaperna hos kiselmaterial är dock inte felfria. När dess tjocklek reduceras till flera hundra nanometer är defekter benägna att uppstå, och problem som svårigheter att kontrollera enhetens kvalitet och dålig enhetlighet kommer sannolikt att uppstå. Därför är det ganska nödvändigt att söka nya lösningar.
Med den aktiva utforskningen av inhemska och utländska forskare har ett stort antal nanomaterial, som diamant- och kolnanorör, använts inom området för mikro/nano-elektromekaniska sensorer. Det finns dock relativt få litteraturrapporter relaterade till resonanssensorer. Under de senaste åren har grafen, ett framväxande nanomaterial, väckt stor uppmärksamhet från experter och forskare inom sensorområdet på grund av dess unika mekaniska, elektriska, optiska och andra egenskaper. Det har gett nya forskningsidéer och möjligheter för utveckling av nya typer av mikro-resonanssensorer och till och med nano-elektromekaniska resonanssensorer, och förväntas ersätta kiselmaterial och utlösa revolutionerande förändringar inom området resonanssensorer.