Sensor resonanadalah sejenis sensor digital kuasi - yang menggunakan kuantiti fizikal yang diukur untuk mengubah ciri -ciri resonan struktur sensitif resonan dan isyarat frekuensi output langsung. Sensor ini beroperasi dalam keadaan resonan mekanikal struktur sensitif resonan (juga dikenali sebagai resonator atau elemen resonan), kurang dipengaruhi oleh perubahan dalam parameter litar luaran, dan mempunyai resolusi yang agak tinggi, kestabilan, dan keupayaan gangguan anti -.
Pada peringkat awal, sensor resonan terutamanya digunakan bahan -bahan seperti logam atau kuarza untuk menyediakan struktur sensitif resonan, seperti silinder resonan, diafragma resonan, dan garpu penalaan kompaun. Begitu juga, saiz produk sensor yang berkaitan adalah besar dan penggunaan kuasa mereka adalah tinggi. Sejak akhir 1980 -an, beberapa syarikat antarabangsa yang terkenal - telah mengambil kesempatan daripada sifat fizikal yang sangat baik bahan -bahan silikon dan digabungkan dengan teknik pemprosesan silikon MIS (mikro- elektro -. Dimensi ciri sensor ini boleh mencapai tahap mikron atau bahkan sub - mikron. Wakil -wakil tipikal jenis sensor ini adalah Silicon Micro - sensor tekanan resonan dan silikon mikro - accelerometer resonan.
Silicon Micro - Sensor resonan bukan sahaja mempunyai prestasi cemerlang sensor resonan umum tetapi juga mempunyai ciri -ciri saiz kecil, penggunaan kuasa rendah, tindak balas dinamik cepat, integrasi mudah, dan pengeluaran besar -besaran. Oleh itu, ia digunakan secara meluas dalam bidang seperti kawalan perindustrian, elektronik pengguna, dan aeroangkasa. Dengan perkembangan teknologi pemprosesan MEMS yang berterusan dan peningkatan berterusan dalam keperluan aplikasi praktikal, sensor resonan mikro - terus berkembang ke arah prestasi tinggi, sensitiviti tinggi, pengurangan, dan juga arah Nano - Sistem Elektromekhanik (NEMS). Walau bagaimanapun, sejak struktur silikon mikro - terdedah kepada kecacatan apabila dikurangkan kepada beberapa ratus saiz nanometer, sukar untuk mengurangkan saiz ciri -ciri sensor yang sepadan, yang menghadkan prestasi pengukuran dan medan aplikasi silikon mikro - sensor resonan. Oleh itu, meneroka bahan -bahan baru yang boleh digunakan untuk prestasi yang sangat baik dan saiz kecil dan membangunkan jenis sensor resonan baru secara semulajadi menjadi trend pembangunan berpotensi mikro - sensor resonan.
Teori asas silikon mikro - sensor resonan
Mekanisme sensitif resonan
Prinsip kerja sensor resonan terletak pada penggunaan prinsip maklum balas positif - untuk membentuk sistem loop - self - yang termasuk resonator, unit pengujaan/pengesan, dan unit penguatan, seperti yang ditunjukkan dalam angka di bawah. Antaranya, struktur sensitif - resonan adalah bahagian teras sistem gelung - tertutup dan beroperasi dalam mod getaran semulajadi. Unit pengujaan menghasilkan isyarat pengujaan untuk menyebabkan struktur sensitif - resonan untuk menghasilkan getaran mekanikal. Unit pengesanan mengambil isyarat getarannya dan menukarkannya menjadi isyarat elektrik. Selepas diproses oleh unit penguatan, ia ditukar menjadi daya pengujaan melalui unit pengujaan dan memberi makan positif kepada resonator untuk mengekalkan getaran frekuensi- resonator pada kekerapan resonannya. Kuantiti yang diukur memodulasi keadaan resonan resonator melalui cara tertentu. Dengan mengukur isyarat output -, magnitud kuantiti yang diukur dapat dikira. Untuk mikro - sensor resonan, struktur sensitif resonan mereka - disediakan oleh teknologi pemesinan mikro -, dan dimensi geometri mereka dapat mencapai perintah beberapa ratus atau bahkan puluhan mikrometer. Melalui reka bentuk struktur sensitif resonan - yang munasabah, digabungkan dengan pelbagai parameter sensitif seperti kekerapan getaran, fasa, dan amplitud resonator, pengukuran pelbagai kuantiti fizikal seperti daya, pecutan, dan halaju sudut dapat direalisasikan.
Reka bentuk resonan - struktur sensitif
Struktur sensitif - resonan adalah komponen teras pelbagai sensor resonan dan bertanggungjawab untuk secara langsung atau tidak langsung mengesan kuantiti yang akan diukur. Reka bentuknya secara langsung akan menjejaskan ketepatan pengukuran, kepekaan, prestasi dinamik dan petunjuk lain sensor. Dari segi bentuk struktur, struktur sensitif mikro - yang biasa digunakan dalam mikro - sensor resonan termasuk membran resonan, rasuk resonan, double - mengakhiri garpu penalaan tetap dan sebagainya. Antaranya, rasuk resonan dan struktur garpu penalaan bergetar paling banyak digunakan dalam sensor tekanan resonan mikro - dan sensor pecutan.
Dalam Silicon Micro - sensor tekanan resonan, struktur sensitif resonan - biasanya dibahagikan kepada dua kaedah pelaksanaan klasik mengikut sama ada kuantiti yang diukur secara langsung bersentuhan dengannya:
Satu adalah struktur membran resonan, seperti yang ditunjukkan dalam angka di bawah. Dalam struktur ini, tekanan secara langsung bertindak pada diafragma resonan, mengubah kekakuannya yang setara, dan getarannya teruja dengan unsur -unsur pengujaan yang ditetapkan pada diafragma itu sendiri. Struktur ini mempunyai keperluan proses yang mudah. Walau bagaimanapun, kerana diafragma itu sendiri bersentuhan langsung dengan medium yang diukur, untuk struktur diafragma di peringkat mikron atau bahkan nanometer, masalah pelesapan tenaga getaran yang disebabkan oleh kuantiti yang diukur perlu dipertimbangkan.
Pendekatan lain adalah struktur sensitif komposit yang terdiri daripada tekanan diafragma sensitif - dan resonator. Dalam struktur ini, elemen sensitif resonan biasanya diletakkan pada kedudukan yang sesuai pada tekanan diafragma sensitif - dan bertanggungjawab untuk secara tidak langsung mengesan kuantiti yang akan diukur. Di bawah tindakan beban tekanan, diafragma berubah bentuk, mengakibatkan perubahan tekanan paksi unsur sensitif dan dengan itu mengubah kekerapan resonannya. Kelebihan yang luar biasa dari struktur sensitif komposit adalah bahawa elemen sensitif resonan diasingkan dari medium yang diukur, mengelakkan pengaruh langsung yang terakhir. Selain itu, elemen sensitif boleh berfungsi dalam persekitaran vakum, yang bermanfaat untuk mengekalkan faktor kualiti yang agak tinggi. Di samping itu, julat pengukuran boleh diubah dengan menyesuaikan parameter struktur tekanan - diafragma sensitif.
Bahan sensitif resonan
Pada masa ini, dengan perkembangan teknologi MEMS yang berterusan dan perubahan dalam keadaan persekitaran aplikasi sensor, keperluan untuk saiz mikro - sensor resonan secara beransur -ansur meningkat. Di antara mereka, saiz struktur sensitif resonan - secara beransur -ansur beralih dari tahap mikron ke tahap nanometer. Walau bagaimanapun, sifat fizikal bahan silikon tidak sempurna. Apabila ketebalannya dikurangkan kepada beberapa ratus nanometer, kecacatan cenderung berlaku, dan masalah seperti kesukaran mengawal kualiti peranti dan keseragaman yang lemah mungkin timbul. Oleh itu, agak perlu untuk mencari penyelesaian baru.
Dengan penerokaan aktif penyelidik domestik dan asing, sejumlah nanomaterials, seperti berlian dan nanotube karbon, telah digunakan dalam bidang sensor elektromekanik mikro/nano -. Walau bagaimanapun, terdapat sedikit laporan sastera yang berkaitan dengan sensor resonan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Graphene, nanomaterial yang baru muncul, telah menarik perhatian yang meluas dari pakar dan ulama dalam bidang sensor kerana sifat mekanikal, elektrik, optik dan lain -lain yang unik. Ia telah membawa idea dan peluang penyelidikan baru untuk pembangunan jenis baru mikro - sensor resonan dan juga Nano - sensor resonan elektromekanik, dan dijangka menggantikan bahan silikon dan mencetuskan perubahan revolusioner dalam bidang sensor resonan.