Sensuri reżonantihuma tip ta' sensuri kważi-diġitali li jutilizzaw il-kwantità fiżika mkejla biex ibiddlu l-karatteristiċi reżonanti tal-istruttura sensittiva reżonanti u joħorġu direttament sinjali tal-frekwenza. Dawn is-sensuri joperaw fl-istat reżonanti mekkaniku tal-istruttura sensittiva reżonanti (magħrufa wkoll bħala resonatur jew element reżonanti), huma inqas affettwati minn bidliet fil-parametri taċ-ċirkwit estern, u jippossjedu riżoluzzjoni relattivament għolja, stabbiltà, u kapaċità ta 'interferenza kontra -.
Fl-istadju bikri, sensuri reżonanti prinċipalment użaw materjali bħal metall jew kwarz biex jippreparaw strutturi sensittivi reżonanti, bħal ċilindri reżonanti, dijaframmi reżonanti, u frieket tal-irfinar komposti. B'mod korrispondenti, id-daqsijiet tal-prodotti tas-sensuri rilevanti kienu kbar u l-konsum tal-enerġija tagħhom kien għoli. Mill-aħħar tas-snin tmenin, xi kumpaniji internazzjonali magħrufa sew-approfittaw mill-proprjetajiet fiżiċi eċċellenti tal-materjali tas-silikon u kkombinati ma' tekniki ta' pproċessar MEMS (Mikro-Electro-Mechanical Systems) biex jiffabbrikaw sensuri reżonanti mikro-strutturati tas-silikon. Id-dimensjonijiet karatteristiċi ta' dawn is-sensuri jistgħu jilħqu l-livell tal-mikron jew saħansitra sub-micron. Ir-rappreżentanti tipiċi ta' dan it-tip ta' sensuri huma sensors ta' pressjoni mikro-reżonanti tas-silikon u aċċellerometri mikro-reżonanti tas-silikon.
Sensuri mikro-reżonanti tas-silikon mhux biss jippossjedu l-prestazzjoni eċċellenti ta 'sensuri reżonanti ġenerali iżda għandhom ukoll il-karatteristiċi ta' daqs żgħir, konsum baxx ta 'enerġija, rispons dinamiku mgħaġġel, integrazzjoni faċli, u produzzjoni tal-massa. Għalhekk, huma użati ħafna f'oqsma bħall-kontroll industrijali, l-elettronika għall-konsumatur, u l-ajruspazju. Bl-iżvilupp kontinwu tat-teknoloġija tal-ipproċessar MEMS u ż-żieda kontinwa fir-rekwiżiti tal-applikazzjoni prattika, is-sensuri mikro-reżonanti jkomplu jiżviluppaw lejn prestazzjoni għolja, sensittività għolja, minjaturizzazzjoni, u anke d-direzzjoni ta 'Nano-Sistemi Elettromekkaniċi (NEMS). Madankollu, peress li l-mikro-strutturi tas-silikon huma suxxettibbli għal difetti meta jitnaqqsu għal ftit mijiet ta' daqs nanometru, huwa diffiċli li jkompli jitnaqqas id-daqs karatteristiku tas-sensuri korrispondenti, li jillimita l-prestazzjoni tal-kejl u l-oqsma ta 'applikazzjoni tas-sensuri reżonanti mikro- tas-silikon. Għalhekk, l-esplorazzjoni ta 'materjali ġodda li jistgħu jintużaw għal prestazzjoni eċċellenti u daqs żgħir u l-iżvilupp ta' tipi ġodda ta 'sensors reżonanti saru naturalment xejra ta' żvilupp potenzjali ta 'sensors mikro-reżonanti.
Teoriji Fundamentali tas-Sensuri Resonanti Mikro - tas-Silikon
Mekkaniżmu Sensittiv Reżonanti
Il-prinċipju ta' ħidma tas-sensuri reżonanti jinsab fl-użu tal-prinċipju ta' feedback pożittiv - biex tifforma sistema eċċitata awto - ċirku magħluq - li tinkludi resonatur, unità ta' eċċitazzjoni/detezzjoni, u unità ta' amplifikazzjoni, kif muri fil-figura hawn taħt. Fost dawn, l-istruttura sensittiva reżonanti - hija l-parti ċentrali tas-sistema - tal-linja magħluqa u topera fil-mod ta 'vibrazzjoni naturali tagħha stess. L-unità ta 'eċitazzjoni tiġġenera sinjal ta' eċċitazzjoni biex tikkawża li l-istruttura sensittiva reżonanti - tipproduċi vibrazzjoni mekkanika. L-unità ta 'skoperta tieħu s-sinjal tal-vibrazzjoni tagħha u tikkonvertih f'sinjal elettriku. Wara li tiġi pproċessata mill-unità ta 'amplifikazzjoni, hija kkonvertita f'forza ta' eċċitazzjoni permezz tal-unità ta 'eċitazzjoni u għalf pożittiv lura lir-resonatur biex iżżomm il-vibrazzjoni tal-frekwenza - stabbli tar-resonatur fil-frekwenza reżonanti tiegħu. Il-kwantità mkejla timmodula l-istat reżonanti tar-resonatur permezz ta 'ċertu mod. Billi tkejjel is-sinjal tal-frekwenza tal-ħruġ -, il-kobor tal-kwantità mkejla jista 'jiġi kkalkulat. Għal sensers reżonanti mikro -, l-istrutturi sensittivi - reżonanti tagħhom huma ppreparati permezz tat-teknoloġija tal-magni mikro -, u d-dimensjonijiet ġeometriċi tagħhom jistgħu jilħqu l-ordni ta 'diversi mijiet jew saħansitra għexieren ta' mikrometri. Permezz tad-disinn ta 'struttura sensittiva reżonanti raġonevoli -, flimkien ma' parametri sensittivi multipli bħall-frekwenza tal-vibrazzjoni, il-fażi, u l-amplitudni tar-resonatur, jista 'jiġi realizzat il-kejl ta' diversi kwantitajiet fiżiċi bħal forza, aċċelerazzjoni u veloċità angolari.
Disinn ta' Strutturi Resonanti-Sensittivi
L-istruttura reżonanti-sensittiva hija l-komponent ewlieni ta' diversi sensuri reżonanti u hija responsabbli biex tħoss direttament jew indirettament il-kwantità li għandha titkejjel. Id-disinn tiegħu se jaffettwa direttament l-eżattezza tal-kejl, is-sensittività, il-prestazzjoni dinamika u indikaturi oħra tas-sensor. F'termini ta 'forom strutturali, l-istrutturi mikro-sensittivi użati b'mod komuni f'sensors mikro-reżonanti jinkludu membrani reżonanti, travi reżonanti, tuning forks fissi b'tarf doppju- eċċ. Fosthom, ir-raġġ reżonanti u l-istrutturi tal-furketta tal-irfinar li jivvibraw huma l-aktar użati f'sensors tal-pressjoni mikro-resonanti u sensuri tal-aċċellerometru.
F'sensors tal-pressjoni mikro-reżonanti tas-silikon, l-istruttura-sensittiva reżonanti hija ġeneralment maqsuma f'żewġ metodi ta' implimentazzjoni klassiċi skont jekk il-kwantità li trid titkejjel hijiex f'kuntatt dirett magħha:
Waħda hija l-istruttura tal-membrana reżonanti, kif muri fil-figura hawn taħt. F'din l-istruttura, il-pressjoni taġixxi direttament fuq id-dijaframma reżonanti, u tbiddel l-ebusija ekwivalenti tagħha, u l-vibrazzjoni hija eċċitata mill-elementi ta 'eċċitazzjoni stabbiliti fuq id-dijaframma nnifisha. Din l-istruttura għandha rekwiżiti ta 'proċess sempliċi. Madankollu, peress li d-dijaframma nnifisha hija f'kuntatt dirett mal-mezz imkejjel, għal strutturi tad-dijaframma fil-livell tal-mikron jew saħansitra nanometru, il-problema tad-dissipazzjoni tal-enerġija tal-vibrazzjoni kkawżata mill-kwantità li għandha titkejjel jeħtieġ li tiġi kkunsidrata.
Approċċ ieħor huwa struttura sensittiva komposta magħmula minn dijaframma-sensittiva għall-pressjoni u reżonatur. F'din l-istruttura, l-element sensittiv reżonanti huwa normalment imqiegħed f'pożizzjoni xierqa fuq id-dijaframma sensittiva tal-pressjoni-u huwa responsabbli biex iħoss indirettament il-kwantità li għandha titkejjel. Taħt l-azzjoni tat-tagħbija tal-pressjoni, id-dijaframma tiddeforma, li tirriżulta f'bidla fl-istress assjali tal-element sensittiv u b'hekk tbiddel il-frekwenza reżonanti tagħha. Il-vantaġġ pendenti tal-istruttura sensittiva komposta hija li l-element sensittiv reżonanti huwa iżolat mill-mezz imkejjel, u jevita l-influwenza diretta ta 'dan tal-aħħar. Barra minn hekk, l-element sensittiv jista 'jaħdem f'ambjent vakwu, li huwa ta' benefiċċju għaż-żamma ta 'fattur ta' kwalità relattivament għolja. Barra minn hekk, il-firxa tal-kejl tista 'tinbidel billi jiġu aġġustati b'mod xieraq il-parametri strutturali tad-dijaframma sensittiva tal-pressjoni-.
Materjali Sensittivi Reżonanti
Bħalissa, bl-iżvilupp kontinwu tat-teknoloġija MEMS u l-bidliet fil-kundizzjonijiet ambjentali tal-applikazzjoni tas-sensuri, ir-rekwiżiti għad-daqs ta 'sensors mikro-resonanti qed jiżdiedu gradwalment. Fosthom, id-daqs tal-istruttura reżonanti-sensittiva qed tittrasferixxi gradwalment mil-livell tal-mikron għal-livell tan-nanometru. Madankollu, il-proprjetajiet fiżiċi tal-materjali tas-silikon mhumiex bla difetti. Meta l-ħxuna tagħha titnaqqas għal diversi mijiet ta 'nanometri, id-difetti huma suxxettibbli li jseħħu, u x'aktarx jinqalgħu problemi bħal diffikultà fil-kontroll tal-kwalità tal-apparat u uniformità fqira. Għalhekk, huwa pjuttost meħtieġ li jfittxu soluzzjonijiet ġodda.
Bl-esplorazzjoni attiva ta 'riċerkaturi domestiċi u barranin, numru mhux ħażin ta' nanomaterjali, bħal nanotubi tad-djamanti u tal-karbonju, ġew applikati fil-qasam tas-sensuri mikro/nano-elettromekkaniċi. Madankollu, hemm relattivament ftit rapporti tal-letteratura relatati ma 'sensors reżonanti. Fl-aħħar ftit snin, graphene, nanomaterjal emerġenti, ġibed attenzjoni mifruxa minn esperti u studjużi fil-qasam tas-sensuri minħabba proprjetajiet uniċi mekkaniċi, elettriċi, ottiċi u oħrajn. Ġab ideat u opportunitajiet ġodda ta' riċerka għall-iżvilupp ta' tipi ġodda ta' mikro-sensors reżonanti u anke nano-sensors reżonanti elettromekkaniċi, u huwa mistenni li jissostitwixxi materjali tas-silikon u jqanqal bidliet rivoluzzjonarji fil-qasam tas-sensuri reżonanti.