Resonantsanduridon teatud tüüpi kvaasi{0}}digitaalsed andurid, mis kasutavad mõõdetud füüsilist suurust resonantstundliku struktuuri resonantskarakteristikute muutmiseks ja sagedussignaalide otse väljastamiseks. Need andurid töötavad resonantstundliku struktuuri (tuntud ka kui resonaator või resonantselement) mehaanilises resonantsolekus, väliste vooluahela parameetrite muutused mõjutavad neid vähem ning neil on suhteliselt kõrge eraldusvõime, stabiilsus ja häiretevastane võime.
Varases staadiumis kasutasid resonantsandurid peamiselt selliseid materjale nagu metall või kvarts, et valmistada resonantstundlikke struktuure, nagu resonantssilindrid, resonantsmembraanid ja liithäälestushargid. Vastavalt sellele olid vastavate anduritoodete suurused suured ja nende voolutarve suur. Alates 1980. aastate lõpust on mõned tuntud rahvusvahelised ettevõtted kasutanud ära ränimaterjalide suurepäraseid füüsikalisi omadusi ja kombineerinud neid MEMS-i (Micro-Electro-Mechanical Systems) töötlemistehnikatega, et valmistada räni mikro{6}}struktureeritud resonantsandureid. Nende andurite iseloomulikud mõõtmed võivad ulatuda mikroni või isegi alla{8}}mikronini. Seda tüüpi andurite tüüpilised esindajad on räni mikro{10}}resonantsrõhuandurid ja räni mikro{11}}resonantskiirendusmõõturid.
Ränist mikro{0}}resonantsanduritel pole mitte ainult üldresonantsandurite suurepärast jõudlust, vaid neil on ka väikesed mõõtmed, madal energiatarve, kiire dünaamiline reaktsioon, lihtne integreerimine ja masstootmine. Seetõttu kasutatakse neid laialdaselt sellistes valdkondades nagu tööstuskontroll, tarbeelektroonika ja kosmosetööstus. MEMS-i töötlemistehnoloogia pideva arendamise ja praktiliste rakenduste nõuete pideva suurenemise tõttu arenevad mikro-resonantsandurid jätkuvalt suure jõudluse, kõrge tundlikkuse, miniaturiseerimise ja isegi nano-elektromehaaniliste süsteemide (NEMS) suunas. Kuna ränist mikro{6}}struktuurid on aga mõnesaja nanomeetri suuruseni vähendades altid defektidele, on raske vastavate andurite iseloomulikke suurusi veelgi vähendada, mis piirab räni mikro{7}}resonantsandurite mõõtmisjõudlust ja rakendusalasid. Seetõttu on uute materjalide uurimine, mida saab kasutada suurepärase jõudluse ja väikese suurusega, ning uut tüüpi resonantsandurite väljatöötamine loomulikult muutunud mikro-resonantsandurite potentsiaalseks arengusuunaks.
Silicon Micro - resonantsandurite põhiteooriad
Resonantstundlik mehhanism
Resonantsandurite tööpõhimõte seisneb positiivse - tagasiside põhimõtte kasutamises, et moodustada suletud - ahelaga iseergastatud - süsteem, mis sisaldab resonaatorit, ergastus-/tuvastusseadet ja võimendusseadet, nagu on näidatud alloleval joonisel. Nende hulgas on resonantsi - tundlik struktuur suletud - ahela süsteemi tuum ja töötab oma loomulikus vibratsioonirežiimis. Ergastusseade genereerib ergastussignaali, et tekitada resonantstundlikus - struktuuris mehaanilist vibratsiooni. Tuvastamisseade kogub selle vibratsioonisignaali ja muudab selle elektrisignaaliks. Pärast võimendusseadme poolt töötlemist muundatakse see ergutusseadme kaudu ergutusjõuks ja suunatakse positiivselt tagasi resonaatorisse, et säilitada resonaatori stabiilne - sagedusvibratsioon selle resonantssagedusel. Mõõdetud suurus moduleerib resonaatori resonantsseisundit teatud viisil. Väljundsagedussignaali - mõõtmisel saab arvutada mõõdetud suuruse suuruse. Mikro---resonantsandurite jaoks valmistatakse nende resonants---tundlikud struktuurid mikro---töötlustehnoloogia abil ja nende geomeetrilised mõõtmed võivad ulatuda mitmesaja või isegi kümnete mikromeetrini. Mõistliku resonantstundliku --tundliku struktuuri kavandamise kaudu, mis on kombineeritud mitme tundliku parameetriga, nagu resonaatori vibratsioonisagedus, faas ja amplituud, saab mõõta mitmesuguseid füüsikalisi suurusi, nagu jõud, kiirendus ja nurkkiirus.
Resonantsi{0}}tundlike struktuuride disain
Resonants{0}}tundlik struktuur on erinevate resonantsandurite põhikomponent ja vastutab mõõdetava koguse otsese või kaudse tuvastamise eest. Selle disain mõjutab otseselt anduri mõõtmise täpsust, tundlikkust, dünaamilist jõudlust ja muid näitajaid. Struktuurivormide osas hõlmavad mikro-tundlikud mikro-struktuurid mikroresonantsandurites resonantsmembraane, resonantskiire, kahe-otsaga fikseeritud häälestuskahvleid ja nii edasi. Nende hulgas kasutatakse mikro-resonantsrõhuandurites ja kiirendusmõõturites kõige laialdasemalt resonantskiirt ja vibreerivat häälehargi konstruktsioone.
Ränist mikro{0}}resonantsrõhuandurites jagatakse resonantstundlik{1}struktuur tavaliselt kaheks klassikaliseks teostusmeetodiks vastavalt sellele, kas mõõdetav kogus on sellega otseses kontaktis:
Üks on resonantsmembraani struktuur, nagu on näidatud alloleval joonisel. Selles struktuuris mõjutab rõhk otse resonantsmembraanile, muutes selle ekvivalentset jäikust ja vibratsiooni ergastab membraanile endale seatud ergutuselemendid. Sellel struktuuril on lihtsad protsessinõuded. Kuna aga diafragma ise on mõõdetava keskkonnaga otseses kontaktis, tuleb membraanistruktuuride puhul mikroni või isegi nanomeetri tasemel arvestada mõõdetavast kogusest põhjustatud vibratsioonienergia hajumise probleemi.
Teine lähenemisviis on tundlik liitstruktuur, mis koosneb rõhutundlikust{0}}diafragmast ja resonaatorist. Selles struktuuris asetatakse resonantstundlik element tavaliselt rõhutundlikul diafragmal sobivasse kohta ja vastutab mõõdetava koguse kaudse tuvastamise eest. Survekoormuse mõjul membraan deformeerub, mille tulemusena muutub tundliku elemendi teljesuunaline pinge ja seega muutub selle resonantssagedus. Komposiittundliku struktuuri silmapaistev eelis on see, et resonantstundlik element on mõõdetavast keskkonnast isoleeritud, vältides viimase otsest mõju. Lisaks võib tundlik element töötada vaakumkeskkonnas, mis on kasulik suhteliselt kõrge kvaliteediteguri säilitamiseks. Lisaks saab mõõtmisvahemikku muuta, kohandades sobivalt rõhutundliku membraani struktuurseid parameetreid.
Resonantstundlikud materjalid
Praegu koos MEMS-tehnoloogia pideva arengu ja andurite rakenduskeskkonna tingimuste muutumisega kasvavad järk-järgult nõuded mikro{0}}resonantsandurite suurusele. Nende hulgas on resonantstundliku -struktuuri suurus järk-järgult üleminekul mikronitasemelt nanomeetri tasemele. Ränimaterjalide füüsikalised omadused pole aga veatud. Kui selle paksust vähendatakse mitmesaja nanomeetrini, on tõenäoline, et ilmnevad defektid ja probleemid, nagu raskused seadme kvaliteedi kontrollimisel ja halb ühtlus. Seetõttu on üsna vajalik otsida uusi lahendusi.
Kodu- ja välismaiste teadlaste aktiivse uurimistööga on mikro-/nano{0}}elektromehaaniliste andurite valdkonnas rakendatud üsna palju nanomaterjale, nagu teemant- ja süsiniknanotorud. Resonantsandurite kohta on kirjanduses siiski suhteliselt vähe teateid. Viimastel aastatel on esilekerkiv nanomaterjal grafeen pälvinud sensorivaldkonna ekspertide ja teadlaste laialdast tähelepanu oma ainulaadsete mehaaniliste, elektriliste, optiliste ja muude omaduste tõttu. See on toonud kaasa uusi uurimisideid ja võimalusi uut tüüpi mikro-resonantsandurite ja isegi nano-elektromehaaniliste resonantsandurite väljatöötamiseks ning eeldatavasti asendab see ränimaterjale ja käivitab revolutsioonilised muutused resonantsandurite valdkonnas.