Резонансні датчикице тип квазі-цифрових датчиків, які використовують виміряну фізичну величину для зміни резонансних характеристик резонансної чутливої структури та безпосередньо виводять частотні сигнали. Ці датчики працюють у механічному резонансному стані резонансної чутливої структури (також відомої як резонатор або резонансний елемент), на них менше впливають зміни параметрів зовнішнього контуру та мають відносно високу роздільну здатність, стабільність і здатність проти-перешкод.
На ранній стадії резонансні датчики в основному використовували такі матеріали, як метал або кварц, для виготовлення резонансних чутливих структур, таких як резонансні циліндри, резонансні діафрагми та складні камертони. Відповідно, розміри відповідних сенсорних виробів були великими, а їх енергоспоживання було високим. З кінця 1980-х років деякі-відомі міжнародні компанії скористалися чудовими фізичними властивостями кремнієвих матеріалів і поєднали методи обробки з MEMS (мікро-електро-механічні системи), щоб виготовити кремнієві мікро-структуровані резонансні датчики. Характерні розміри цих датчиків можуть досягати мікронного або навіть суб-мікронного рівня. Типовими представниками цього типу датчиків є кремнієві мікро-резонансні датчики тиску та кремнієві мікро-резонансні акселерометри.
Кремнієві мікро-резонансні датчики не лише мають чудову продуктивність звичайних резонансних датчиків, але також мають такі характеристики, як малий розмір, низьке енергоспоживання, швидка динамічна відповідь, проста інтеграція та масове виробництво. Тому вони широко використовуються в таких галузях, як промислове керування, побутова електроніка та аерокосмічна промисловість. З безперервним розвитком технології обробки MEMS і постійним зростанням вимог до практичного застосування мікро-резонансні датчики продовжують розвиватися в напрямку високої продуктивності, високої чутливості, мініатюризації та навіть у напрямку нано-електромеханічних систем (NEMS). Однак, оскільки кремнієві мікро-структури схильні до дефектів, якщо їх зменшити до кількох сотень нанометрів, важко далі зменшити характерний розмір відповідних датчиків, що обмежує ефективність вимірювання та сфери застосування кремнієвих мікро-резонансних датчиків. Таким чином, дослідження нових матеріалів, які можна використовувати для чудової продуктивності та малого розміру, а також розробка нових типів резонансних датчиків, природно, стали потенційною тенденцією розвитку мікро-резонансних датчиків.
Фундаментальні теорії кремнієвих мікро- резонансних датчиків
Резонансний чутливий механізм
Принцип роботи резонансних датчиків полягає у використанні принципу позитивного - зворотного зв’язку для формування замкнутої - петлі самозбуджуваної системи -, яка включає резонатор, блок збудження/виявлення та блок підсилення, як показано на малюнку нижче. Серед них резонансна - чутлива структура є основною частиною замкнутої системи - і працює у власному режимі природної вібрації. Блок збудження генерує сигнал збудження, щоб викликати механічну вібрацію резонансної - чутливої структури. Блок виявлення вловлює його вібраційний сигнал і перетворює його в електричний сигнал. Після обробки блоком посилення він перетворюється на збудливу силу через блок збудження та позитивно повертається в резонатор для підтримки стабільної частоти вібрації резонатора - на його резонансній частоті. Виміряна величина певним чином модулює резонансний стан резонатора. Вимірюючи вихідний частотний сигнал -, можна розрахувати величину вимірюваної величини. Для мікро - резонансних датчиків їх резонансні - чутливі структури готуються за допомогою технології мікро - механічної обробки, а їх геометричні розміри можуть досягати порядку кількох сотень або навіть десятків мікрометрів. Завдяки розробці розумної резонансної - чутливої структури в поєднанні з кількома чутливими параметрами, такими як частота вібрації, фаза та амплітуда резонатора, можна здійснити вимірювання різних фізичних величин, таких як сила, прискорення та кутова швидкість.
Проектування резонансних-чутливих структур
Резонансна-чутлива структура є основним компонентом різних резонансних датчиків і відповідає за пряме чи опосередковане сприйняття вимірюваної величини. Його конструкція безпосередньо впливатиме на точність вимірювання, чутливість, динамічні характеристики та інші показники датчика. З точки зору структурних форм, зазвичай використовувані мікро-чутливі структури в мікро-резонансних датчиках включають резонансні мембрани, резонансні промені, подвійні-фіксовані камертони тощо. Серед них структури резонансного променя та вібраційного камертона найбільш широко використовуються в мікро-резонансних датчиках тиску та акселерометрах.
У кремнієвих мікро-резонансних датчиках тиску резонансна-чутлива структура зазвичай поділяється на два класичні методи реалізації відповідно до того, чи безпосередньо контактує з нею вимірювана величина:
Однією з них є резонансна мембранна структура, як показано на малюнку нижче. У цій конструкції тиск безпосередньо діє на резонансну діафрагму, змінюючи її еквівалентну жорсткість, а вібрація збуджується елементами збудження, встановленими на самій діафрагмі. Ця структура має прості вимоги до процесу. Однак, оскільки сама діафрагма знаходиться в прямому контакті з вимірюваним середовищем, для структур діафрагми на мікронному або навіть нанометровому рівні необхідно розглянути проблему розсіювання енергії вібрації, спричинену величиною, яка підлягає вимірюванню.
Іншим підходом є композитна чутлива структура, що складається з-чутливої до тиску діафрагми та резонатора. У цій структурі резонансний чутливий елемент зазвичай розміщується у відповідній позиції на -чутливій до тиску діафрагмі та відповідає за опосередковане сприйняття вимірюваної величини. Під дією тиску діафрагма деформується, в результаті чого змінюється осьова напруга чутливого елемента і тим самим змінюється його резонансна частота. Визначною перевагою композитної чутливої структури є те, що резонансний чутливий елемент ізольований від вимірюваного середовища, уникаючи прямого впливу останнього. Крім того, чутливий елемент може працювати у вакуумному середовищі, що вигідно для підтримки відносно високої добротності. Крім того, діапазон вимірювання можна змінювати шляхом відповідного налаштування структурних параметрів діафрагми, чутливої до тиску.
Резонансно чутливі матеріали
Наразі з безперервним розвитком технології MEMS та змінами в умовах застосування датчиків вимоги до розміру мікро-резонансних датчиків поступово зростають. Серед них розмір резонансної-чутливої структури поступово переходить від мікронного рівня до нанометрового. Однак фізичні властивості кремнієвих матеріалів не бездоганні. Коли його товщина зменшується до кількох сотень нанометрів, можуть виникнути дефекти, і ймовірно виникнуть такі проблеми, як труднощі з контролем якості пристрою та погана однорідність. Тому дуже необхідно шукати нові рішення.
Завдяки активним дослідженням вітчизняних і зарубіжних дослідників у галузі мікро/нано-електромеханічних сенсорів було застосовано чимало наноматеріалів, таких як алмазні та вуглецеві нанотрубки. Однак існує відносно мало літературних повідомлень, пов’язаних з резонансними датчиками. За останні кілька років графен, новий наноматеріал, привернув широку увагу експертів і вчених у галузі сенсорів завдяки своїм унікальним механічним, електричним, оптичним та іншим властивостям. Це принесло нові дослідницькі ідеї та можливості для розробки нових типів мікро-резонансних датчиків і навіть нано-електромеханічних резонансних датчиків, і очікується, що він замінить кремнієві матеріали та спричинить революційні зміни в області резонансних датчиків.