Резонантни сензорису тип квази{0}}дигиталних сензора који користе измерену физичку величину за промену резонантних карактеристика резонантне осетљиве структуре и директно излазе сигнале фреквенције. Ови сензори раде у механичком резонантном стању резонантне осетљиве структуре (познате и као резонатор или резонантни елемент), мање су под утицајем промена спољних параметара кола и поседују релативно високу резолуцију, стабилност и способност против -сметњи.
У раној фази, резонантни сензори су углавном користили материјале као што су метал или кварц за припрему резонантних осетљивих структура, као што су резонантни цилиндри, резонантне дијафрагме и сложене виљушке за подешавање. Сходно томе, величине релевантних сензорских производа биле су велике, а њихова потрошња енергије велика. Од касних 1980-их, неке-познате међународне компаније су искористиле предности одличних физичких својстава силицијумских материјала и комбиновале их са МЕМС (Микро-Електро-Механички системи) техникама обраде за производњу силицијумских микро-структурираних резонантних сензора. Карактеристичне димензије ових сензора могу досећи микронски или чак испод{8}}микронски ниво. Типични представници овог типа сензора су силицијумски микро-резонантни сензори притиска и силицијумски микро-резонантни акцелерометри.
Силицијумски микро-резонантни сензори не само да поседују одличне перформансе општих резонантних сензора, већ имају и карактеристике мале величине, ниске потрошње енергије, брзог динамичког одзива, лаке интеграције и масовне производње. Због тога се широко користе у областима као што су индустријска контрола, потрошачка електроника и ваздухопловство. Уз континуирани развој МЕМС технологије обраде и континуирано повећање захтева за практичну примену, микро-резонантни сензори настављају да се развијају ка високим перформансама, високој осетљивости, минијатуризацији, па чак и у правцу нано-електромеханичких система (НЕМС). Међутим, пошто су силицијумске микро-структуре склоне дефектима када се смање на неколико стотина нанометара, тешко је даље смањити карактеристичну величину одговарајућих сензора, што ограничава перформансе мерења и поља примене силицијумских микро-резонантних сензора. Стога је истраживање нових материјала који се могу користити за одличне перформансе и мале величине и развој нових типова резонантних сензора природно постало потенцијални тренд развоја микро-резонантних сензора.
Фундаменталне теорије силицијумских микро - резонантних сензора
Резонантни осетљиви механизам
Принцип рада резонантних сензора лежи у коришћењу принципа позитивне - повратне спреге за формирање затвореног - петље - самопобуђеног система који укључује резонатор, јединицу за побуду/детекцију и јединицу за појачавање, као што је приказано на слици испод. Међу њима, резонантна - осетљива структура је основни део система затворене петље - и ради у сопственом режиму природних вибрација. Јединица побуде генерише побудни сигнал да изазове резонантну - осетљиву структуру да произведе механичку вибрацију. Јединица за детекцију хвата његов сигнал вибрације и претвара га у електрични сигнал. Након што га обради јединица за појачавање, претвара се у побудну силу кроз јединицу побуде и позитивно се враћа назад у резонатор да би се одржала стабилна вибрација - фреквенције резонатора на његовој резонантној фреквенцији. Измерена величина модулира резонантно стање резонатора на одређени начин. Мерењем сигнала излазне фреквенције - може се израчунати величина измерене величине. За микро - резонантне сензоре, њихове резонантне - осетљиве структуре се припремају микро - технологијом обраде, а њихове геометријске димензије могу достићи редослед неколико стотина или чак десетина микрометара. Кроз дизајн разумне резонантне - осетљиве структуре, у комбинацији са више осетљивих параметара као што су фреквенција вибрације, фаза и амплитуда резонатора, може се реализовати мерење различитих физичких величина као што су сила, убрзање и угаона брзина.
Дизајн резонантних{0}}осетљивих структура
Резонантна{0}}осетљива структура је основна компонента различитих резонантних сензора и одговорна је за директно или индиректно детектовање количине која се мери. Његов дизајн ће директно утицати на тачност мерења, осетљивост, динамичке перформансе и друге индикаторе сензора. Што се тиче структурних облика, најчешће коришћене микро-осетљиве структуре у микро-резонантним сензорима укључују резонантне мембране, резонантне зраке, дупле-фиксиране виљушке за подешавање и тако даље. Међу њима, резонантни сноп и вибрирајуће виљушке за подешавање се најчешће користе у микро-резонантним сензорима притиска и сензорима акцелерометара.
У силицијумским микро-резонантним сензорима притиска, резонантна-осетљива структура се обично дели на две класичне методе имплементације према томе да ли је количина која се мери у директном контакту са њом:
Једна је структура резонантне мембране, као што је приказано на слици испод. У овој структури, притисак директно делује на резонантну дијафрагму, мењајући њену еквивалентну крутост, а вибрацију побуђују елементи побуде постављени на самој дијафрагми. Ова структура има једноставне процесне захтеве. Међутим, пошто је сама дијафрагма у директном контакту са мереним медијумом, за структуре дијафрагме на микронском или чак нанометарском нивоу, потребно је размотрити проблем дисипације енергије вибрација изазваног количином која се мери.
Други приступ је композитна осетљива структура која се састоји од дијафрагме{0}}осетљиве на притисак и резонатора. У овој структури, резонантни осетљиви елемент се обично поставља на одговарајућу позицију на дијафрагми{2}}осетљивој на притисак и одговоран је за индиректно детектовање количине која се мери. Под дејством притиска притиска, дијафрагма се деформише, што доводи до промене аксијалног напрезања осетљивог елемента и на тај начин мења његову резонантну фреквенцију. Изванредна предност композитне осетљиве структуре је у томе што је резонантни осетљиви елемент изолован од мереног медијума, избегавајући директан утицај овог другог. Штавише, осетљиви елемент може да ради у вакуумском окружењу, што је корисно за одржавање релативно високог фактора квалитета. Поред тога, опсег мерења се може променити одговарајућим подешавањем структурних параметара дијафрагме осетљиве на притисак{7}}.
Резонантно осетљиви материјали
Тренутно, са континуираним развојем МЕМС технологије и променама у условима околине примене сензора, захтеви за величином микро-резонантних сензора се постепено повећавају. Међу њима, величина резонантне-осетљиве структуре постепено прелази са нивоа микрона на ниво нанометара. Међутим, физичка својства силицијумских материјала нису беспрекорна. Када се његова дебљина смањи на неколико стотина нанометара, долази до дефекта и вероватно ће се појавити проблеми као што су потешкоће у контроли квалитета уређаја и лоша униформност. Стога је неопходно тражити нова решења.
Уз активно истраживање домаћих и страних истраживача, у области микро/нано{0}}електромеханичких сензора примењен је велики број наноматеријала, попут дијаманата и угљеничних наноцеви. Међутим, постоји релативно мало литературних извештаја који се односе на резонантне сензоре. У последњих неколико година, графен, наноматеријал у настајању, привукао је широку пажњу стручњака и научника у области сензора због својих јединствених механичких, електричних, оптичких и других својстава. Донео је нове истраживачке идеје и могућности за развој нових типова микро-резонантних сензора, па чак и нано-електромеханичких резонантних сензора, а очекује се да ће заменити силицијумске материјале и покренути револуционарне промене у области резонантних сензора.