Rezonáns érzékelőkolyan kvázi{0}}digitális érzékelők, amelyek a mért fizikai mennyiséget használják fel a rezonanciaérzékeny szerkezet rezonanciajellemzőinek megváltoztatására, és közvetlenül adják ki a frekvenciajeleket. Ezek az érzékelők a rezonanciára érzékeny szerkezet (más néven rezonátor vagy rezonáns elem) mechanikai rezonancia állapotában működnek, kevésbé befolyásolják őket a külső áramköri paraméterek változásai, és viszonylag nagy felbontással, stabilitással és interferenciagátló képességgel rendelkeznek.
A korai szakaszban a rezonáns érzékelők főként olyan anyagokat használtak, mint például a fém vagy a kvarc a rezonanciára érzékeny szerkezetek, például a rezonáns hengerek, a rezonáns membránok és az összetett hangvillák előállítására. Ennek megfelelően az érintett szenzortermékek méretei nagyok, energiafogyasztásuk magas volt. Az 1980-as évek vége óta néhány jól ismert nemzetközi vállalat kihasználta a szilícium anyagok kiváló fizikai tulajdonságait, és a MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) feldolgozási technikákkal kombinálva szilícium mikro-strukturált rezonáns érzékelőket gyártott. Ezeknek az érzékelőknek a jellemző méretei elérhetik a mikronos vagy akár a{8}}mikron alatti szintet is. Az ilyen típusú érzékelők tipikus képviselői a szilícium mikro{10}}rezonáns nyomásérzékelők és a szilícium mikro{11}}rezonáns gyorsulásmérők.
A szilícium mikro{0}}rezonáns érzékelők nemcsak az általános rezonáns érzékelők kiváló teljesítményével rendelkeznek, hanem a kis méret, az alacsony energiafogyasztás, a gyors dinamikus reakció, az egyszerű integráció és a tömeggyártás jellemzői is. Ezért széles körben használják olyan területeken, mint az ipari vezérlés, a fogyasztói elektronika és a repülőgépipar. A MEMS feldolgozási technológia folyamatos fejlődésével és a gyakorlati alkalmazási követelmények folyamatos növekedésével a mikro-rezonáns érzékelők tovább fejlődnek a nagy teljesítmény, nagy érzékenység, miniatürizálás, sőt a nano-elektromechanikai rendszerek (NEMS) irányába. Mivel azonban a szilícium mikro{6}szerkezetek hajlamosak a hibákra, ha néhány száz nanométeres méretre csökkentik, nehéz tovább csökkenteni a megfelelő érzékelők jellemző méretét, ami korlátozza a szilícium mikro{7}}rezonáns érzékelők mérési teljesítményét és alkalmazási területeit. Ezért a kiváló teljesítmény és kis méret érdekében felhasználható új anyagok feltárása, valamint az új típusú rezonáns érzékelők kifejlesztése természetesen a mikro-rezonáns érzékelők lehetséges fejlesztési irányává vált.
A szilícium mikro - rezonáns érzékelők alapvető elméletei
Rezonáns érzékeny mechanizmus
A rezonáns érzékelők működési elve a pozitív - visszacsatolási elv felhasználásában rejlik egy zárt - hurkú öngerjesztett - rendszer létrehozására, amely magában foglal egy rezonátort, egy gerjesztő/észlelő egységet és egy erősítő egységet, amint az alábbi ábrán látható. Közülük a rezonáns - érzékeny szerkezet a zárt - hurkú rendszer magja, és a saját természetes rezgésmódjában működik. A gerjesztő egység gerjesztő jelet állít elő, hogy a rezonáns - érzékeny szerkezet mechanikai rezgést keltsen. Az érzékelő egység felveszi a rezgésjelét, és elektromos jellé alakítja át. Az erősítőegység feldolgozása után gerjesztő erővé alakítja át a gerjesztőegységen keresztül, és pozitívan visszavezeti a rezonátorba, hogy a rezonátor stabil - frekvenciájú rezgését a rezonanciafrekvenciáján fenntartsa. A mért mennyiség egy bizonyos módon modulálja a rezonátor rezonancia állapotát. A kimenő - frekvenciájú jel mérésével kiszámítható a mért mennyiség nagysága. A mikro - rezonáns szenzorok rezonáns - érzékeny szerkezeteit mikro - megmunkálási technológiával készítik, geometriai méreteik akár több száz vagy akár tíz mikrométer nagyságrendet is elérhetnek. Egy ésszerű rezonáns - érzékeny szerkezet megtervezésével több érzékeny paraméterrel, például a rezonátor rezgési frekvenciájával, fázisával és amplitúdójával kombinálva különféle fizikai mennyiségek, például erő, gyorsulás és szögsebesség mérése valósítható meg.
Rezonáns{0}}érzékeny szerkezetek tervezése
A rezonáns{0}}érzékeny szerkezet a különböző rezonáns érzékelők alapvető összetevője, és felelős a mérendő mennyiség közvetlen vagy közvetett érzékeléséért. Kialakítása közvetlenül befolyásolja a mérési pontosságot, érzékenységet, dinamikus teljesítményt és az érzékelő egyéb mutatóit. Ami a szerkezeti formákat illeti, a mikro-rezonáns érzékelőkben gyakran használt mikro-érzékeny szerkezetek közé tartoznak a rezonáns membránok, a rezonáns nyalábok, a kétvégű, rögzített hangvillák és így tovább. Közülük a rezonáns nyaláb és a vibráló hangvilla szerkezeteket a legszélesebb körben használják a mikro-rezonáns nyomásérzékelőkben és a gyorsulásmérő érzékelőkben.
A szilícium mikro{0}}rezonáns nyomásérzékelőkben a rezonancia-érzékeny szerkezetet általában két klasszikus megvalósítási módra osztják aszerint, hogy a mérendő mennyiség közvetlenül érintkezik-e vele:
Az egyik a rezonáns membránszerkezet, amint az az alábbi ábrán látható. Ebben a szerkezetben a nyomás közvetlenül a rezonáns membránra hat, megváltoztatva annak egyenértékű merevségét, a rezgést pedig magára a membránra állított gerjesztőelemek gerjesztik. Ennek a szerkezetnek egyszerű folyamatkövetelményei vannak. Mivel azonban maga a membrán közvetlenül érintkezik a mért közeggel, mikron vagy akár nanométeres membránszerkezetek esetén figyelembe kell venni a mérendő mennyiség okozta rezgési energia disszipáció problémáját.
Egy másik megközelítés az összetett érzékeny szerkezet, amely nyomásérzékeny membránból és rezonátorból áll. Ebben a szerkezetben a rezonáns érzékeny elem általában a nyomásérzékeny membrán megfelelő pozíciójában van elhelyezve, és felelős a mérendő mennyiség közvetett érzékeléséért. A nyomásterhelés hatására a membrán deformálódik, ami az érzékeny elem axiális feszültségének megváltozását eredményezi, és ezáltal megváltozik a rezonanciafrekvenciája. A kompozit érzékeny szerkezet kiemelkedő előnye, hogy a rezonáns érzékeny elem a mért közegtől el van szigetelve, elkerülve az utóbbi közvetlen hatását. Ezenkívül az érzékeny elem vákuum környezetben is működhet, ami előnyös a viszonylag magas minőségi tényező fenntartása szempontjából. Ezenkívül a mérési tartomány megváltoztatható a nyomásérzékeny membrán szerkezeti paramétereinek megfelelő beállításával.
Rezonáns érzékeny anyagok
Jelenleg a MEMS technológia folyamatos fejlődésével és az érzékelők alkalmazási környezeti feltételeinek változásával a mikro{0}}rezonáns érzékelők méretével szemben támasztott követelmények fokozatosan nőnek. Közülük a rezonáns -érzékeny szerkezet mérete fokozatosan átáll a mikronszintről a nanométeres szintre. A szilícium anyagok fizikai tulajdonságai azonban nem hibátlanok. Ha vastagságát több száz nanométerre csökkentik, hajlamosak a hibák előfordulására, és olyan problémák léphetnek fel, mint például az eszköz minőségének ellenőrzése és a gyenge egyenletesség. Ezért nagyon szükséges új megoldásokat keresni.
A hazai és külföldi kutatók aktív feltárásával számos nanoanyag, például gyémánt és szén nanocsövek kerültek alkalmazásra a mikro/nano{0}}elektromechanikai érzékelők területén. A rezonáns érzékelőkkel kapcsolatban azonban viszonylag kevés szakirodalom található. Az elmúlt néhány évben a grafén, egy feltörekvő nanoanyag, egyedülálló mechanikai, elektromos, optikai és egyéb tulajdonságai miatt széles körben felkeltette az érzékelők területén dolgozó szakértők és tudósok figyelmét. Új kutatási ötleteket és lehetőségeket hozott új típusú mikro-rezonáns érzékelők, sőt nano-elektromechanikus rezonáns érzékelők kifejlesztéséhez, és várhatóan leváltja a szilícium anyagokat, és forradalmi változásokat indít el a rezonáns érzékelők területén.