Resonančni senzorjiso vrsta kvazi-digitalnih senzorjev, ki uporabljajo izmerjeno fizikalno količino za spreminjanje resonančnih značilnosti resonančne občutljive strukture in neposredno oddajajo frekvenčne signale. Ti senzorji delujejo v mehanskem resonančnem stanju resonančne občutljive strukture (znane tudi kot resonator ali resonančni element), nanje manj vplivajo spremembe parametrov zunanjega vezja in imajo razmeroma visoko ločljivost, stabilnost in zmožnost proti -motenju.
V zgodnji fazi so resonančni senzorji v glavnem uporabljali materiale, kot sta kovina ali kremen, za pripravo resonančno občutljivih struktur, kot so resonančni valji, resonančne membrane in sestavljene vilice. Temu primerno so bile velikosti ustreznih senzorskih izdelkov velike in njihova poraba energije visoka. Od poznih 1980-ih so nekatera -znana mednarodna podjetja izkoristila odlične fizikalne lastnosti silicijevih materialov in združila z MEMS (mikro-elektro-mehanskimi sistemi) tehnikami obdelave za izdelavo silicijevih mikro-strukturiranih resonančnih senzorjev. Značilne dimenzije teh senzorjev lahko dosežejo mikronsko ali celo pod-mikronsko raven. Tipični predstavniki te vrste senzorjev so silicijevi mikro-resonančni senzorji tlaka in silicijevi mikro-resonančni merilniki pospeška.
Silikonski mikro-resonančni senzorji nimajo samo odličnih zmogljivosti splošnih resonančnih senzorjev, ampak imajo tudi značilnosti majhne velikosti, nizke porabe energije, hitrega dinamičnega odziva, enostavne integracije in masovne proizvodnje. Zato se pogosto uporabljajo na področjih, kot so industrijski nadzor, potrošniška elektronika in letalstvo. Z nenehnim razvojem tehnologije obdelave MEMS in nenehnim povečevanjem zahtev praktične uporabe se mikro-resonančni senzorji še naprej razvijajo v smeri visoke zmogljivosti, visoke občutljivosti, miniaturizacije in celo v smeri nano-elektromehanskih sistemov (NEMS). Ker pa so silicijeve mikro-strukture nagnjene k okvaram, ko jih zmanjšamo na nekaj sto nanometrskih velikosti, je težko dodatno zmanjšati značilno velikost ustreznih senzorjev, kar omejuje merilno zmogljivost in področja uporabe silicijevih mikro-resonančnih senzorjev. Zato je raziskovanje novih materialov, ki jih je mogoče uporabiti za odlično delovanje in majhnost, ter razvoj novih tipov resonančnih senzorjev seveda postalo potencialni trend razvoja mikro-resonančnih senzorjev.
Temeljne teorije silicijevih mikro - resonančnih senzorjev
Resonančni občutljivi mehanizem
Načelo delovanja resonančnih senzorjev je v uporabi načela pozitivne - povratne zveze za oblikovanje zaprtega - zanke - samovzbujenega sistema, ki vključuje resonator, enoto za vzbujanje/zaznavanje in ojačevalno enoto, kot je prikazano na spodnji sliki. Med njimi je resonančna - občutljiva struktura osrednji del sistema zaprte - zanke in deluje v svojem naravnem načinu vibracij. Enota za vzbujanje ustvari vzbujevalni signal, ki povzroči, da resonančna - občutljiva struktura povzroči mehanske vibracije. Enota zaznavanja zajame njegov vibracijski signal in ga pretvori v električni signal. Ko ga obdela ojačevalna enota, se pretvori v vzbujevalno silo prek vzbujalne enote in se pozitivno napaja nazaj v resonator, da vzdržuje stabilno frekvenčno vibracijo resonatorja - na njegovi resonančni frekvenci. Izmerjena količina modulira resonančno stanje resonatorja na določen način. Z merjenjem izhodnega - frekvenčnega signala je mogoče izračunati velikost izmerjene količine. Za mikro - resonančne senzorje so njihove resonančne - občutljive strukture pripravljene z mikro - strojno tehnologijo, njihove geometrijske dimenzije pa lahko dosežejo nekaj sto ali celo deset mikrometrov. Z zasnovo primerne resonančne - občutljive strukture v kombinaciji z več občutljivimi parametri, kot so frekvenca tresljajev, faza in amplituda resonatorja, je mogoče izvesti merjenje različnih fizikalnih količin, kot so sila, pospešek in kotna hitrost.
Oblikovanje resonančnih-občutljivih struktur
Resonančno-občutljiva struktura je osrednja komponenta različnih resonančnih senzorjev in je odgovorna za neposredno ali posredno zaznavanje količine, ki jo je treba izmeriti. Njegova zasnova bo neposredno vplivala na natančnost merjenja, občutljivost, dinamično zmogljivost in druge kazalnike senzorja. Kar zadeva strukturne oblike, običajno uporabljene mikro-občutljive strukture v mikro-resonančnih senzorjih vključujejo resonančne membrane, resonančne žarke, dvojne-fiksne vilice za uglaševanje in tako naprej. Med njimi se v mikro-resonančnih senzorjih tlaka in senzorjih merilnikov pospeška najpogosteje uporabljajo strukture resonančnega žarka in vibrirajoče vilice.
Pri silicijevih mikro-resonančnih tlačnih senzorjih je resonančna-občutljiva struktura običajno razdeljena na dva klasična izvedbena načina glede na to, ali je količina, ki jo je treba izmeriti, v neposrednem stiku z njo:
Ena je resonančna struktura membrane, kot je prikazano na spodnji sliki. V tej strukturi tlak neposredno deluje na resonančno membrano in spreminja njeno enakovredno togost, vibracije pa vzbujajo vzbujevalni elementi, nameščeni na sami membrani. Ta struktura ima preproste procesne zahteve. Ker pa je diafragma sama v neposrednem stiku z merjenim medijem, je treba pri membranskih strukturah na mikronski ali celo nanometrski ravni upoštevati problem disipacije energije vibracij, ki jo povzroča količina, ki jo je treba izmeriti.
Drug pristop je sestavljena občutljiva struktura, sestavljena iz diafragme,-občutljive na pritisk, in resonatorja. V tej strukturi je resonančni občutljivi element običajno nameščen na ustreznem mestu na-občutljivi membrani in je odgovoren za posredno zaznavanje količine, ki jo je treba izmeriti. Pod delovanjem tlačne obremenitve se diafragma deformira, kar povzroči spremembo osne napetosti občutljivega elementa in s tem njegovo resonančno frekvenco. Izjemna prednost kompozitne občutljive strukture je, da je resonančni občutljivi element izoliran od merjenega medija, s čimer se izognemo neposrednemu vplivu slednjega. Poleg tega lahko občutljivi element deluje v vakuumskem okolju, kar je koristno za ohranjanje razmeroma visokega faktorja kakovosti. Poleg tega je mogoče spremeniti merilno območje z ustrezno prilagoditvijo strukturnih parametrov diafragme, občutljive na tlak.
Resonančno občutljivi materiali
Trenutno se z nenehnim razvojem tehnologije MEMS in spremembami okoljskih pogojev uporabe senzorjev zahteve glede velikosti mikro-resonančnih senzorjev postopoma povečujejo. Med njimi velikost resonančne-občutljive strukture postopoma prehaja z mikronske ravni na nanometrsko raven. Vendar pa fizikalne lastnosti silicijevih materialov niso brezhibne. Ko se njegova debelina zmanjša na nekaj sto nanometrov, se lahko pojavijo napake in verjetno se bodo pojavile težave, kot so težave pri nadzoru kakovosti naprave in slaba enotnost. Zato je nujno iskanje novih rešitev.
Z aktivnim raziskovanjem domačih in tujih raziskovalcev je kar nekaj nanomaterialov, kot so diamantne in ogljikove nanocevke, uporabljenih na področju mikro/nano-elektromehanskih senzorjev. Vendar pa je v literaturi relativno malo poročil o resonančnih senzorjih. V zadnjih nekaj letih je grafen, nastajajoči nanomaterial, pritegnil široko pozornost strokovnjakov in učenjakov na področju senzorjev zaradi svojih edinstvenih mehanskih, električnih, optičnih in drugih lastnosti. Prinesel je nove raziskovalne zamisli in priložnosti za razvoj novih vrst mikro-resonančnih senzorjev in celo nano-elektromehanskih resonančnih senzorjev ter naj bi nadomestil silicijeve materiale in sprožil revolucionarne spremembe na področju resonančnih senzorjev.