Rezonanční snímačejsou typem kvazi{0}}digitálních senzorů, které využívají naměřenou fyzikální veličinu ke změně rezonančních charakteristik rezonančně citlivé struktury a přímo vydávají frekvenční signály. Tyto senzory pracují v mechanickém rezonančním stavu rezonančně citlivé struktury (také známé jako rezonátor nebo rezonanční prvek), jsou méně ovlivněny změnami parametrů vnějších obvodů a mají relativně vysoké rozlišení, stabilitu a schopnost odolávat -rušení.
V rané fázi rezonanční senzory používaly hlavně materiály jako kov nebo křemen k přípravě rezonančně citlivých struktur, jako jsou rezonanční válce, rezonanční membrány a složené ladičky. V souladu s tím byly velikosti příslušných senzorových produktů velké a jejich spotřeba energie byla vysoká. Od konce 80. let 20. století některé -známé mezinárodní společnosti využily vynikajících fyzikálních vlastností křemíkových materiálů a kombinovaly s technikami zpracování MEMS (Micro-Electro{5}}Mechanical Systems) k výrobě křemíkových mikro-strukturovaných rezonančních senzorů. Charakteristické rozměry těchto senzorů mohou dosáhnout úrovně mikronů nebo dokonce sub{8}}mikronů. Typickými představiteli tohoto typu senzorů jsou křemíkové mikro-rezonanční tlakové senzory a křemíkové mikro{11}}rezonanční akcelerometry.
Křemíkové mikro-rezonanční senzory mají nejen vynikající výkon obecných rezonančních senzorů, ale také malé rozměry, nízkou spotřebu energie, rychlou dynamickou odezvu, snadnou integraci a hromadnou výrobu. Proto jsou široce používány v oblastech, jako je průmyslové řízení, spotřební elektronika a letecký průmysl. S neustálým vývojem technologie zpracování MEMS a neustálým zvyšováním požadavků na praktické aplikace se mikro-rezonanční senzory nadále vyvíjejí směrem k vysokému výkonu, vysoké citlivosti, miniaturizaci a dokonce směrem k nano-elektromechanickým systémům (NEMS). Protože jsou však křemíkové mikro-struktury náchylné k defektům, jsou-li zmenšeny na několik stovek nanometrů, je obtížné dále zmenšit charakteristickou velikost odpovídajících senzorů, což omezuje výkon měření a aplikační pole křemíkových mikro{7}}rezonančních senzorů. Zkoumání nových materiálů, které lze použít pro vynikající výkon a malé rozměry, a vývoj nových typů rezonančních senzorů se proto přirozeně staly potenciálním vývojovým trendem mikro-rezonančních senzorů.
Základní teorie křemíkových mikro - rezonančních senzorů
Rezonanční citlivý mechanismus
Princip činnosti rezonančních senzorů spočívá ve využití principu pozitivní - zpětné vazby k vytvoření uzavřeného -smyčkového samobuzeného - systému, který obsahuje rezonátor, budicí/detekční jednotku a zesilovací jednotku, jak je znázorněno na obrázku níže. Mezi nimi je rezonanční - citlivá struktura hlavní částí systému uzavřené - smyčky a funguje ve svém vlastním přirozeném vibračním režimu. Budicí jednotka generuje budicí signál, který způsobí, že rezonanční citlivá struktura - vyvolá mechanické vibrace. Detekční jednotka zachytí jeho vibrační signál a převede jej na elektrický signál. Poté, co je zpracována zesilovací jednotkou, je převedena na budicí sílu prostřednictvím budicí jednotky a pozitivně přiváděna zpět do rezonátoru, aby se udržela stabilní - frekvenční vibrace rezonátoru na jeho rezonanční frekvenci. Měřená veličina určitým způsobem moduluje rezonanční stav rezonátoru. Měřením výstupního frekvenčního signálu - lze vypočítat velikost měřené veličiny. Pro mikro - rezonanční senzory jsou jejich rezonanční - citlivé struktury připraveny mikro - technologií obrábění a jejich geometrické rozměry mohou dosahovat řádů několika stovek nebo dokonce desítek mikrometrů. Prostřednictvím návrhu rozumné rezonanční - citlivé struktury v kombinaci s více citlivými parametry, jako je frekvence vibrací, fáze a amplituda rezonátoru, lze realizovat měření různých fyzikálních veličin, jako je síla, zrychlení a úhlová rychlost.
Návrh rezonančních-citlivých struktur
Rezonanční-citlivá struktura je základní součástí různých rezonančních senzorů a je zodpovědná za přímé nebo nepřímé snímání měřené veličiny. Jeho konstrukce přímo ovlivní přesnost měření, citlivost, dynamický výkon a další ukazatele snímače. Pokud jde o strukturální formy, mezi běžně používané mikro-citlivé struktury v mikro-rezonančních senzorech patří rezonanční membrány, rezonanční paprsky, dvojité-pevné ladičky a tak dále. Mezi nimi jsou struktury rezonančního paprsku a vibrační ladičky nejrozšířenější v mikro-rezonančních tlakových senzorech a senzorech akcelerometru.
V křemíkových mikro-rezonančních tlakových senzorech se rezonanční-citlivá struktura obvykle dělí na dvě klasické implementační metody podle toho, zda je s ní měřená veličina v přímém kontaktu:
Jedním z nich je struktura rezonanční membrány, jak je znázorněno na obrázku níže. V této struktuře působí tlak přímo na rezonanční membránu, mění její ekvivalentní tuhost a kmitání je buzeno budicími prvky nastavenými na samotné membráně. Tato struktura má jednoduché procesní požadavky. Protože je však samotná membrána v přímém kontaktu s měřeným médiem, u membránových struktur na úrovni mikronů nebo dokonce nanometrů je třeba zvážit problém rozptylu vibrační energie způsobené měřenou veličinou.
Dalším přístupem je kompozitní citlivá struktura složená z tlakově -citlivé membrány a rezonátoru. V této struktuře je rezonanční citlivý prvek obvykle umístěn ve vhodné poloze na tlakově citlivé membráně a je zodpovědný za nepřímé snímání měřené veličiny. Působením tlakového zatížení se membrána deformuje, což má za následek změnu axiálního napětí citlivého prvku a tím i změnu jeho rezonanční frekvence. Výjimečná výhoda kompozitní citlivé struktury spočívá v tom, že rezonanční citlivý prvek je izolován od měřeného média, čímž se zabrání jeho přímému vlivu. Navíc může citlivý prvek pracovat ve vakuovém prostředí, což je výhodné pro udržení relativně vysokého faktoru kvality. Rozsah měření lze navíc změnit vhodným nastavením strukturálních parametrů tlakově citlivé membrány-.
Rezonanční citlivé materiály
V současné době s neustálým rozvojem technologie MEMS a změnami podmínek prostředí aplikace senzorů se postupně zvyšují požadavky na velikost mikro-rezonančních senzorů. Mezi nimi velikost rezonanční-citlivé struktury postupně přechází z mikronové úrovně na úroveň nanometrů. Fyzikální vlastnosti křemíkových materiálů však nejsou bezchybné. Když se jeho tloušťka zmenší na několik stovek nanometrů, jsou náchylné ke vzniku defektů a pravděpodobně vzniknou problémy, jako jsou potíže s kontrolou kvality zařízení a špatná rovnoměrnost. Proto je zcela nezbytné hledat nová řešení.
S aktivním průzkumem domácích i zahraničních výzkumníků se v oblasti mikro/nano{0}}elektromechanických senzorů uplatnilo velké množství nanomateriálů, jako jsou diamantové a uhlíkové nanotrubičky. V literatuře však existuje poměrně málo zpráv týkajících se rezonančních senzorů. V posledních několika letech grafen, vznikající nanomateriál, přitáhl širokou pozornost odborníků a vědců v oblasti senzorů díky svým jedinečným mechanickým, elektrickým, optickým a dalším vlastnostem. Přinesla nové výzkumné nápady a příležitosti pro vývoj nových typů mikro-rezonančních senzorů a dokonce i nano-elektromechanických rezonančních senzorů a očekává se, že nahradí křemíkové materiály a spustí revoluční změny v oblasti rezonančních senzorů.