Rezonansiniai jutikliaiyra kvazi{0}}skaitmeninių jutiklių tipas, kuris naudoja išmatuotą fizinį dydį, kad pakeistų jautrios rezonansinės struktūros rezonansines charakteristikas ir tiesiogiai išveda dažnio signalus. Šie jutikliai veikia rezonansinės jautrios struktūros (taip pat žinomos kaip rezonatorius arba rezonansinis elementas) mechaninės rezonansinės būsenos, yra mažiau veikiamos išorinių grandinės parametrų pokyčių ir turi santykinai didelę skiriamąją gebą, stabilumą ir atsparumą trukdžiams.
Ankstyvajame etape rezonansiniai jutikliai daugiausia naudojo tokias medžiagas kaip metalas ar kvarcas, kad paruoštų rezonansines jautrias struktūras, tokias kaip rezonansiniai cilindrai, rezonansinės diafragmos ir kombinuotos kamertonos. Atitinkamai, atitinkamų jutiklių gaminių matmenys buvo dideli, o jų energijos sąnaudos buvo didelės. Nuo devintojo dešimtmečio pabaigos kai kurios gerai žinomos tarptautinės įmonės pasinaudojo puikiomis fizinėmis silicio medžiagų savybėmis ir, siekdamos gaminti silicio mikro-struktūrinius rezonansinius jutiklius, derino su MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) apdorojimo metodais. Būdingi šių jutiklių matmenys gali siekti mikronų ar net mažesnį{8}}mikronų lygį. Tipiški šio tipo jutiklių atstovai yra silicio mikro{10}}rezonansiniai slėgio jutikliai ir silicio mikro{11}}rezonansiniai akselerometrai.
Silicio mikro{0}}rezonansiniai jutikliai pasižymi ne tik puikiu bendrojo rezonansinio jutiklio veikimu, bet ir mažo dydžio, mažo energijos suvartojimo, greito dinaminio atsako, lengvo integravimo ir masinės gamybos charakteristikomis. Todėl jie plačiai naudojami tokiose srityse kaip pramoninis valdymas, plataus vartojimo elektronika ir aviacija. Nuolat tobulėjant MEMS apdorojimo technologijoms ir didėjant praktinio pritaikymo reikalavimams, mikro-rezonansiniai jutikliai ir toliau tobulinami siekiant didelio našumo, didelio jautrumo, miniatiūrizavimo ir netgi nano-elektromechaninių sistemų (NEMS) krypties. Tačiau, kadangi silicio mikro{6}}struktūros yra linkusios į defektus, kai jų dydis sumažinamas iki kelių šimtų nanometrų, sunku dar labiau sumažinti būdingą atitinkamų jutiklių dydį, o tai riboja silicio mikro{7}}rezonansinių jutiklių matavimo našumą ir taikymo sritis. Todėl naujų medžiagų, kurios gali būti naudojamos puikiam veikimui ir mažam dydžiui, tyrinėjimas ir naujų tipų rezonansinių jutiklių kūrimas natūraliai tapo potencialia mikro-rezonansinių jutiklių plėtros tendencija.
Pagrindinės silicio mikro - rezonansinių jutiklių teorijos
Rezonansinis jautrus mechanizmas
Rezonansinių jutiklių veikimo principas grindžiamas teigiamo - grįžtamojo ryšio principo panaudojimu, siekiant sudaryti uždarą - kilpos savaiminio - sužadinimo sistemą, kurią sudaro rezonatorius, sužadinimo / aptikimo blokas ir stiprinimo blokas, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje. Tarp jų rezonansinė - jautri struktūra yra pagrindinė uždaros - kilpos sistemos dalis ir veikia savo natūraliu vibracijos režimu. Sužadinimo blokas generuoja sužadinimo signalą, kad rezonansinei - jautri struktūra sukeltų mechaninę vibraciją. Aptikimo blokas paima jo vibracijos signalą ir paverčia jį elektriniu signalu. Po to, kai jį apdoroja stiprinimo blokas, jis paverčiamas sužadinimo jėga per sužadinimo bloką ir teigiamai grąžinamas atgal į rezonatorių, kad rezonatoriaus - dažnio vibracija būtų stabili rezonansiniu dažniu. Išmatuotas dydis tam tikru būdu moduliuoja rezonatoriaus rezonansinę būseną. Matuojant išėjimo - dažnio signalą, galima apskaičiuoti išmatuoto dydžio dydį. Mikro - rezonansiniams jutikliams jautrios rezonansinės - struktūros yra paruoštos mikro - apdirbimo technologija, o jų geometriniai matmenys gali siekti kelis šimtus ar net dešimtis mikrometrų. Sukūrus pagrįstą rezonansinei - jautrią struktūrą, kartu su keliais jautriais parametrais, tokiais kaip rezonatoriaus vibracijos dažnis, fazė ir amplitudė, galima išmatuoti įvairius fizinius dydžius, tokius kaip jėga, pagreitis ir kampinis greitis.
Rezonansinių{0}}jautrių struktūrų projektavimas
Rezonansinė{0}}jautri struktūra yra pagrindinė įvairių rezonansinių jutiklių sudedamoji dalis ir yra atsakinga už tiesioginį arba netiesioginį matuojamo kiekio jutimą. Jo konstrukcija tiesiogiai paveiks matavimo tikslumą, jautrumą, dinamines charakteristikas ir kitus jutiklio rodiklius. Kalbant apie struktūrines formas, dažniausiai mikro-jautrios struktūros mikro-rezonansiniuose jutikliuose apima rezonansines membranas, rezonansinius pluoštus, fiksuotas dvigubas kamertonas ir pan. Be to, rezonansinis pluoštas ir vibruojančios kamertono konstrukcijos yra plačiausiai naudojamos mikro{7}}rezonansinio slėgio jutikliuose ir akselerometro jutikliuose.
Silicio mikro{0}}rezonansinio slėgio jutikliuose rezonansinė-jautri struktūra paprastai skirstoma į du klasikinius įgyvendinimo būdus, atsižvelgiant į tai, ar matuojamas kiekis tiesiogiai su ja liečiasi:
Viena iš jų yra rezonansinės membranos struktūra, kaip parodyta paveikslėlyje žemiau. Šioje struktūroje slėgis tiesiogiai veikia rezonansinę diafragmą, pakeisdamas jos ekvivalentinį standumą, o vibraciją sužadina ant pačios diafragmos nustatyti žadinimo elementai. Ši struktūra turi paprastus proceso reikalavimus. Tačiau, kadangi pati diafragma tiesiogiai liečiasi su išmatuojama terpe, diafragmos struktūroms mikronų ar net nanometrų lygyje reikia atsižvelgti į vibracijos energijos išsklaidymo problemą, kurią sukelia matuojamas kiekis.
Kitas būdas yra sudėtinė jautri struktūra, sudaryta iš slėgiui{0}}jautrios diafragmos ir rezonatoriaus. Šioje struktūroje rezonansinis jautrus elementas paprastai yra tinkamoje slėgiui jautrios diafragmos vietoje ir yra atsakingas už netiesioginį matuojamo kiekio jutimą. Veikiant slėgio apkrovai, diafragma deformuojasi, todėl pasikeičia jautraus elemento ašinis įtempis ir taip keičiasi jo rezonansinis dažnis. Išskirtinis kompozitinės jautrios struktūros pranašumas yra tas, kad rezonansinis jautrus elementas yra izoliuotas nuo matuojamos terpės, išvengiant tiesioginės pastarosios įtakos. Be to, jautrus elementas gali veikti vakuuminėje aplinkoje, o tai naudinga išlaikant gana aukštą kokybės faktorių. Be to, matavimo diapazonas gali būti pakeistas atitinkamai pakoregavus slėgiui jautrios diafragmos struktūrinius parametrus.
Rezonansui jautrios medžiagos
Šiuo metu, nuolat tobulėjant MEMS technologijai ir keičiantis jutiklių taikymo aplinkos sąlygoms, mikro{0}}rezonansinių jutiklių dydžiui keliami reikalavimai palaipsniui didėja. Tarp jų rezonansinės -jautrios struktūros dydis palaipsniui pereina nuo mikronų iki nanometrų lygio. Tačiau fizinės silicio medžiagų savybės nėra nepriekaištingos. Kai jo storis sumažėja iki kelių šimtų nanometrų, gali atsirasti defektų ir gali kilti tokių problemų, kaip sunku kontroliuoti įrenginio kokybę ir prastas vienodumas. Todėl visai būtina ieškoti naujų sprendimų.
Vietos ir užsienio mokslininkams aktyviai tyrinėjant, mikro/nano{0}}elektromechaninių jutiklių srityje buvo pritaikyta nemažai nanomedžiagų, pvz., deimantų ir anglies nanovamzdelių. Tačiau literatūroje yra palyginti nedaug pranešimų, susijusių su rezonansiniais jutikliais. Per pastaruosius kelerius metus grafenas, nauja nanomedžiaga, sulaukė didelio jutiklių srities ekspertų ir mokslininkų dėmesio dėl savo unikalių mechaninių, elektrinių, optinių ir kitų savybių. Jis atnešė naujų mokslinių tyrimų idėjų ir galimybių kurti naujų tipų mikro-rezonansinius jutiklius ir net nano-elektromechaninius rezonansinius jutiklius, tikimasi, kad jis pakeis silicio medžiagas ir paskatins revoliucinius pokyčius rezonansinių jutiklių srityje.