Resonanssianturitovat eräänlaisia näennäisiä{0}}digitaalisia antureita, jotka käyttävät mitattua fyysistä määrää muuttamaan resonanssiherkän rakenteen resonanssiominaisuuksia ja lähettävät suoraan taajuussignaaleja. Nämä anturit toimivat resonanssiherkän rakenteen mekaanisessa resonanssitilassa (tunnetaan myös resonaattorina tai resonanssielementtinä), ulkoisten piirien parametrien muutokset vaikuttavat niihin vähemmän, ja niillä on suhteellisen korkea resoluutio, vakaus ja häiriönestokyky.
Varhaisessa vaiheessa resonanssianturit käyttivät pääasiassa materiaaleja, kuten metallia tai kvartsia, valmistamaan resonanssiherkkiä rakenteita, kuten resonanssisylintereitä, resonanssikalvoja ja yhdistelmääänityshaarukoita. Vastaavasti kyseisten anturituotteiden koot olivat suuria ja niiden virrankulutus suuri. Jotkut tunnetut kansainväliset yritykset ovat 1980-luvun lopulta lähtien hyödyntäneet piimateriaalien erinomaisia fysikaalisia ominaisuuksia ja yhdistäneet MEMS- (Micro-Electro-Mechanical Systems) -käsittelytekniikoihin valmistaakseen piimikro{6}}strukturoituja resonanssiantureita. Näiden antureiden ominaismitat voivat saavuttaa mikronin tai jopa alle -mikronin tason. Tämän tyyppisten antureiden tyypillisiä edustajia ovat piimikro{10}}resonanssipaineanturit ja piimikro{11}}resonanssikiihtyvyysmittarit.
Pii-mikro{0}}resonanssiantureilla ei ole vain yleisresonanssisensorien erinomaista suorituskykyä, vaan niillä on myös pieni koko, alhainen virrankulutus, nopea dynaaminen vaste, helppo integrointi ja massatuotanto. Siksi niitä käytetään laajalti sellaisilla aloilla kuin teollisuusohjaus, kulutuselektroniikka ja ilmailu. MEMS-käsittelyteknologian jatkuvan kehityksen ja käytännön sovellusten vaatimusten jatkuvan lisääntymisen myötä mikro-resonanssianturit kehittyvät edelleen kohti korkeaa suorituskykyä, suurta herkkyyttä, miniatyrisointia ja jopa nano-elektromekaanisten järjestelmien (NEMS) suuntaa. Koska piimikro{6}}rakenteet ovat kuitenkin alttiita vioille, kun ne pienennetään muutamaan sataan nanometriin, vastaavien antureiden ominaiskokoa on vaikea pienentää entisestään, mikä rajoittaa piimikro{7}}resonanssiantureiden mittaustehoa ja sovellusalueita. Siksi uusien materiaalien tutkiminen, joita voidaan käyttää erinomaisen suorituskyvyn ja pienen koon saavuttamiseen, ja uudentyyppisten resonanssianturien kehittäminen on luonnollisesti tullut mikroresonanssiantureiden mahdollinen kehitystrendi.
Silicon Micro - -resonanssisensorien perusteoriat
Resonanssiherkkä mekanismi
Resonanssiantureiden toimintaperiaate on positiivisen --palauteperiaatteen hyödyntäminen suljetun --silmukan itseherätetyn --järjestelmän muodostamiseksi, joka sisältää resonaattorin, heräte-/ilmaisuyksikön ja vahvistusyksikön, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Niiden joukossa resonoiva --herkkä rakenne on suljetun --silmukan järjestelmän ydinosa ja toimii omassa luonnollisessa värähtelytilassaan. Herätysyksikkö generoi herätesignaalin saadakseen resonanssiherkän rakenteen tuottamaan mekaanista värähtelyä. Tunnistusyksikkö poimii sen värähtelysignaalin ja muuntaa sen sähköiseksi signaaliksi. Kun vahvistusyksikkö on käsitellyt, se muunnetaan viritysvoimaksi viritysyksikön kautta ja syötetään positiivisesti takaisin resonaattoriin resonaattorin vakaan --taajuuden värähtelyn ylläpitämiseksi sen resonanssitaajuudella. Mitattu suure moduloi resonaattorin resonanssitilaa tietyllä tavalla. Mittaamalla ulostulon - taajuussignaali voidaan laskea mitatun suuren suuruus. Mikro---resonanssianturien resonanssiherkät rakenteet valmistetaan mikro---työstötekniikalla, ja niiden geometriset mitat voivat olla useita satoja tai jopa kymmeniä mikrometrejä. Suunnittelemalla kohtuullinen resonanssiherkkä rakenne yhdistettynä useisiin herkkiin parametreihin, kuten resonaattorin värähtelytaajuuteen, vaiheeseen ja amplitudiin, voidaan mitata eri fyysisiä suureita, kuten voimaa, kiihtyvyyttä ja kulmanopeutta.
Resonanttien{0}}herkkien rakenteiden suunnittelu
Resonanssi{0}}herkkä rakenne on erilaisten resonanssiantureiden ydinkomponentti, ja se vastaa mitattavan suuren suoraan tai epäsuorasta tunnistamisesta. Sen suunnittelu vaikuttaa suoraan mittaustarkkuuteen, herkkyyteen, dynaamiseen suorituskykyyn ja muihin anturin indikaattoreihin. Mitä tulee rakenteellisiin muotoihin, yleisesti käytettyjä mikro-herkkiä rakenteita mikroresonanssiantureissa ovat resonanssikalvot, resonanssisäteet, kaksipäiset kiinteät äänihaarukat ja niin edelleen. Näistä resonanssisäde- ja värisevä äänihaarukkarakenteita käytetään laajimmin mikro-resonanssipaineantureissa ja kiihtyvyysantureissa.
Pii-mikro{0}}resonanssipaineantureissa resonanssi-herkkä rakenne jaetaan yleensä kahteen klassiseen toteutustapaan sen mukaan, onko mitattava suure suorassa kosketuksessa siihen:
Yksi on resonanssikalvorakenne, kuten alla olevassa kuvassa näkyy. Tässä rakenteessa paine vaikuttaa suoraan resonanssikalvoon muuttaen sen ekvivalenttijäykkyyttä ja värähtelyä herättävät itse kalvolle asetetut virityselementit. Tällä rakenteella on yksinkertaiset prosessivaatimukset. Kuitenkin, koska itse kalvo on suorassa kosketuksessa mitattavaan väliaineeseen, kalvorakenteissa mikroni- tai jopa nanometritasolla, on otettava huomioon mitattavan suuren aiheuttama värähtelyenergian häviämisongelma.
Toinen lähestymistapa on komposiittiherkkä rakenne, joka koostuu paine{0}}herkästä kalvosta ja resonaattorista. Tässä rakenteessa resonanssiherkkä elementti sijoitetaan yleensä sopivaan kohtaan paineherkälle kalvolle, ja se on vastuussa mitattavan suuren epäsuorasta tunnistamisesta. Painekuorman vaikutuksesta kalvo vääntyy, mikä johtaa herkän elementin aksiaalisen jännityksen muutokseen ja siten sen resonanssitaajuuden muuttumiseen. Komposiittiherkän rakenteen erinomainen etu on, että resonanssiherkkä elementti on eristetty mitatusta väliaineesta, jolloin vältetään jälkimmäisen suora vaikutus. Lisäksi herkkä elementti voi toimia tyhjiöympäristössä, mikä on edullista suhteellisen korkean laatutekijän ylläpitämiseksi. Lisäksi mittausaluetta voidaan muuttaa säätämällä paineherkän kalvon rakenteellisia parametreja asianmukaisesti.
Resonanssiherkät materiaalit
Tällä hetkellä MEMS-tekniikan jatkuvan kehityksen ja antureiden käyttöympäristöolosuhteiden muuttuessa vaatimukset mikro{0}}resonanssiantureiden koolle kasvavat vähitellen. Niiden joukossa resonoivan -herkän rakenteen koko on vähitellen siirtymässä mikronitasolta nanometritasolle. Piimateriaalien fysikaaliset ominaisuudet eivät kuitenkaan ole virheettömiä. Kun sen paksuus pienennetään useisiin satoihin nanometreihin, vikoja esiintyy herkästi, ja ongelmia, kuten vaikeus laitteen laadun hallinnassa ja huono tasaisuus, ilmenee todennäköisesti. Siksi on aivan välttämätöntä etsiä uusia ratkaisuja.
Kotimaisten ja ulkomaisten tutkijoiden aktiivisen tutkimisen myötä useita nanomateriaaleja, kuten timantti- ja hiilinanoputkia, on käytetty mikro/nano{0}}elektromekaanisten antureiden alalla. Resonanssisensoreihin liittyviä kirjallisuusraportteja on kuitenkin suhteellisen vähän. Viime vuosina grafeeni, nouseva nanomateriaali, on herättänyt laajaa huomiota anturialan asiantuntijoilta ja tutkijoilta ainutlaatuisten mekaanisten, sähköisten, optisten ja muiden ominaisuuksiensa vuoksi. Se on tuonut uusia tutkimusideoita ja mahdollisuuksia uudentyyppisten mikro-resonanssianturien ja jopa nano-elektromekaanisten resonanssianturien kehittämiseen, ja sen odotetaan korvaavan piimateriaaleja ja käynnistävän vallankumouksellisia muutoksia resonanssiantureiden alalla.