Резонансные датчикипредставляют собой тип квази-цифровых датчиков, которые используют измеряемую физическую величину для изменения резонансных характеристик резонансно-чувствительной структуры и непосредственно выдают частотные сигналы. Эти датчики работают в механическом резонансном состоянии резонансной чувствительной структуры (также известной как резонатор или резонансный элемент), меньше подвержены влиянию изменений параметров внешней цепи и обладают относительно высоким разрешением, стабильностью и противо-помеховой способностью.
На ранней стадии в резонансных датчиках в основном использовались такие материалы, как металл или кварц, для изготовления резонансно-чувствительных структур, таких как резонансные цилиндры, резонансные диафрагмы и составные камертоны. Соответственно, размеры соответствующих сенсорных изделий были большими, а их энергопотребление — высоким. С конца 1980-х годов некоторые-известные международные компании воспользовались превосходными физическими свойствами кремниевых материалов и объединили их с методами обработки микро-электро-механических систем) для изготовления кремниевых микро-структурированных резонансных датчиков. Характерные размеры этих датчиков могут достигать микронного или даже суб-микронного уровня. Типичными представителями этого типа датчиков являются кремниевые микро-резонансные датчики давления и кремниевые микро-резонансные акселерометры.
Кремниевые микро-резонансные датчики не только обладают превосходными характеристиками обычных резонансных датчиков, но также имеют небольшой размер, низкое энергопотребление, быстрый динамический отклик, простоту интеграции и массовое производство. Поэтому они широко используются в таких областях, как промышленный контроль, бытовая электроника и аэрокосмическая промышленность. Благодаря постоянному развитию технологии обработки МЭМС и постоянному увеличению требований к практическому применению микро-резонансные датчики продолжают развиваться в направлении высокой производительности, высокой чувствительности, миниатюризации и даже в направлении нано-электромеханических систем (NEMS). Однако, поскольку кремниевые микро-структуры склонны к дефектам при уменьшении размеров до нескольких сотен нанометров, дальнейшее уменьшение характерного размера соответствующих датчиков затруднено, что ограничивает возможности измерения и области применения кремниевых микро-резонансных датчиков. Поэтому изучение новых материалов, которые можно использовать для обеспечения превосходных характеристик и небольших размеров, а также разработка новых типов резонансных датчиков, естественно, стали потенциальной тенденцией развития микро-резонансных датчиков.
Фундаментальные теории кремниевых микро--резонансных датчиков
Резонансно-чувствительный механизм
Принцип работы резонансных датчиков заключается в использовании принципа положительной обратной связи - для формирования замкнутой системы - с автовозбуждением -, которая включает в себя резонатор, блок возбуждения/детектирования и блок усиления, как показано на рисунке ниже. Среди них резонансная чувствительная структура - является основной частью замкнутой системы - и работает в собственном режиме собственных колебаний. Блок возбуждения генерирует сигнал возбуждения, заставляющий резонансную чувствительную - структуру производить механическую вибрацию. Блок обнаружения улавливает сигнал вибрации и преобразует его в электрический сигнал. После обработки блоком усиления она преобразуется в силу возбуждения через блок возбуждения и положительно подается обратно в резонатор для поддержания стабильной вибрации частоты - резонатора на его резонансной частоте. Измеряемая величина определенным образом модулирует резонансное состояние резонатора. Измеряя выходной частотный сигнал -, можно рассчитать величину измеряемой величины. Резонансно-чувствительные структуры - микро---резонансных датчиков изготавливаются с помощью технологии микро---обработки, а их геометрические размеры могут достигать порядка нескольких сотен и даже десятков микрометров. Благодаря разработке разумной резонансной чувствительной - структуры в сочетании с множеством чувствительных параметров, таких как частота вибрации, фаза и амплитуда резонатора, можно реализовать измерение различных физических величин, таких как сила, ускорение и угловая скорость.
Проектирование резонансных-чувствительных структур
Резонансная-чувствительная структура является основным компонентом различных резонансных датчиков и отвечает за прямое или косвенное распознавание измеряемой величины. Его конструкция напрямую влияет на точность измерений, чувствительность, динамические характеристики и другие показатели датчика. Что касается структурных форм, обычно используемые микро-чувствительные структуры в микро-резонансных датчиках включают резонансные мембраны, резонансные пучки, двусторонние-фиксированные камертоны и так далее. Среди них конструкции резонансного луча и вибрирующего камертона наиболее широко используются в микро-резонансных датчиках давления и датчиках акселерометра.
В кремниевых микро-резонансных датчиках давления резонансная-чувствительная структура обычно разделяется на два классических метода реализации в зависимости от того, находится ли с ней в прямом контакте измеряемая величина:
Одним из них является резонансная мембранная структура, как показано на рисунке ниже. В этой конструкции давление непосредственно воздействует на резонансную диафрагму, изменяя ее эквивалентную жесткость, а вибрация возбуждается элементами возбуждения, установленными на самой диафрагме. Эта структура имеет простые технологические требования. Однако, поскольку сама диафрагма находится в непосредственном контакте с измеряемой средой, для диафрагменных структур микронного или даже нанометрового уровня необходимо учитывать проблему рассеяния энергии вибрации, вызванную измеряемой величиной.
Другой подход – создание композитной чувствительной конструкции, состоящей из-чувствительной к давлению диафрагмы и резонатора. В этой конструкции резонансный чувствительный элемент обычно размещается в соответствующем месте на диафрагме, чувствительной к давлению, и отвечает за косвенное определение измеряемой величины. Под действием сжимающей нагрузки диафрагма деформируется, что приводит к изменению осевого напряжения чувствительного элемента и, как следствие, к изменению его резонансной частоты. Выдающимся преимуществом композитной чувствительной конструкции является то, что резонансный чувствительный элемент изолирован от измеряемой среды, что позволяет избежать прямого влияния последней. При этом чувствительный элемент может работать в вакуумной среде, что выгодно для сохранения относительно высокой добротности. Кроме того, диапазон измерения можно изменить, соответствующим образом отрегулировав структурные параметры чувствительной к давлению диафрагмы.
Резонансно-чувствительные материалы
В настоящее время, с постоянным развитием технологии МЭМС и изменением условий окружающей среды применения датчиков, требования к размерам микро-резонансных датчиков постепенно возрастают. Среди них размер резонансной-чувствительной структуры постепенно переходит с микронного уровня на нанометровый уровень. Однако физические свойства кремниевых материалов не безупречны. Когда его толщина уменьшается до нескольких сотен нанометров, могут возникать дефекты и могут возникнуть такие проблемы, как сложность контроля качества устройства и плохая однородность. Поэтому совершенно необходимо искать новые решения.
Благодаря активным исследованиям отечественных и зарубежных исследователей целый ряд наноматериалов, таких как алмазные и углеродные нанотрубки, нашел применение в области микро/нано-электромеханических сенсоров. Однако в литературе сравнительно мало сообщений, посвященных резонансным датчикам. В последние несколько лет графен, новый наноматериал, привлек широкое внимание экспертов и ученых в области датчиков благодаря своим уникальным механическим, электрическим, оптическим и другим свойствам. Он принес новые исследовательские идеи и возможности для разработки новых типов микро-резонансных датчиков и даже нано-электромеханических резонансных датчиков и, как ожидается, заменит кремниевые материалы и вызовет революционные изменения в области резонансных датчиков.