Sensors ressonantssón un tipus de sensors quasi-digitals que utilitzen la magnitud física mesurada per canviar les característiques de ressonància de l'estructura sensible a la ressonància i emetre directament senyals de freqüència. Aquests sensors funcionen en l'estat de ressonància mecànica de l'estructura sensible a la ressonància (també conegut com a ressonador o element ressonant), es veuen menys afectats pels canvis en els paràmetres del circuit extern i posseeixen una resolució relativament alta, estabilitat i capacitat anti-interferències.
En l'etapa inicial, els sensors ressonants utilitzaven principalment materials com el metall o el quars per preparar estructures sensibles a la ressonància, com ara cilindres ressonants, diafragmes ressonants i diapasons compostos. En conseqüència, les mides dels productes de sensors rellevants eren grans i el seu consum d'energia era elevat. Des de finals de la dècada de 1980, algunes companyies internacionals-conegudes han aprofitat les excel·lents propietats físiques dels materials de silici i s'han combinat amb tècniques de processament MEMS (micro-electro-sistemes mecànics) per fabricar sensors ressonants de micro-estructura de silici. Les dimensions característiques d'aquests sensors poden arribar al nivell de micres o fins i tot de sub{8}}micres. Els representants típics d'aquest tipus de sensors són els sensors de pressió micro-de silici i els acceleròmetres micro-ressonants de silici.
Els sensors micro-ressonants de silici no només tenen l'excel·lent rendiment dels sensors ressonants generals, sinó que també tenen les característiques de mida petita, baix consum d'energia, resposta dinàmica ràpida, fàcil integració i producció en massa. Per tant, s'utilitzen àmpliament en camps com el control industrial, l'electrònica de consum i l'aeroespacial. Amb el desenvolupament continu de la tecnologia de processament MEMS i l'augment continu dels requisits d'aplicació pràctica, els sensors micro-ressonants continuen desenvolupant-se cap a un alt rendiment, alta sensibilitat, miniaturització i fins i tot la direcció dels sistemes nano-electromecànics (NEMS). Tanmateix, com que les micro-estructures de silici són propenses a tenir defectes quan es redueixen a uns quants centenars de nanòmetres, és difícil reduir encara més la mida característica dels sensors corresponents, la qual cosa limita el rendiment de mesura i els camps d'aplicació dels sensors micro-ressonants de silici. Per tant, explorar nous materials que es poden utilitzar per obtenir un rendiment excel·lent i una mida petita i desenvolupar nous tipus de sensors ressonants s'ha convertit, naturalment, en una tendència potencial de desenvolupament de sensors micro-ressonants.
Teories fonamentals dels microsensors ressonants de silici -
Mecanisme sensible ressonant
El principi de funcionament dels sensors ressonants rau en la utilització del principi de retroalimentació positiva - per formar un sistema excitat automàtic de bucle tancat - - que inclou un ressonador, una unitat d'excitació/detecció i una unitat d'amplificació, tal com es mostra a la figura següent. Entre ells, l'estructura sensible - ressonant és la part central del sistema de bucle tancat - i funciona en el seu propi mode de vibració natural. La unitat d'excitació genera un senyal d'excitació per provocar que l'estructura sensible - ressonant produeixi vibració mecànica. La unitat de detecció recull el seu senyal de vibració i el converteix en un senyal elèctric. Després de ser processat per la unitat d'amplificació, es converteix en una força d'excitació a través de la unitat d'excitació i es retroalimenta positivament al ressonador per mantenir la vibració de freqüència - estable del ressonador a la seva freqüència de ressonància. La quantitat mesurada modula l'estat de ressonància del ressonador d'una manera determinada. Mitjançant la mesura del senyal de freqüència - de sortida, es pot calcular la magnitud de la quantitat mesurada. Per als sensors micro - ressonants, les seves estructures sensibles - ressonants es preparen mitjançant tecnologia de micro{17}} mecanitzat i les seves dimensions geomètriques poden arribar a l'ordre de diversos centenars o fins i tot desenes de micròmetres. Mitjançant el disseny d'una estructura sensible - ressonant raonable, combinada amb múltiples paràmetres sensibles, com ara la freqüència de vibració, la fase i l'amplitud del ressonador, es pot mesurar diverses magnituds físiques com la força, l'acceleració i la velocitat angular.
Disseny d'estructures-sensibles ressonants
L'estructura sensible-ressonant és el component bàsic de diversos sensors ressonants i s'encarrega de detectar directament o indirectament la quantitat que s'ha de mesurar. El seu disseny afectarà directament la precisió de mesura, la sensibilitat, el rendiment dinàmic i altres indicadors del sensor. Pel que fa a les formes estructurals, les estructures micro-sensibles que s'utilitzen habitualment en sensors micro-ressonants inclouen membranes ressonants, feixos ressonants, diapasons fixos de doble-extrem, etc. Entre ells, el feix ressonant i les estructures de diapasó vibrant s'utilitzen més en sensors de pressió micro-ressonants i sensors d'acceleròmetre.
En els sensors de pressió micro-ressonants de silici, l'estructura sensible-ressonant es divideix normalment en dos mètodes d'implementació clàssics segons si la quantitat a mesurar està en contacte directe amb ella:
Una és l'estructura de la membrana ressonant, tal com es mostra a la figura següent. En aquesta estructura, la pressió actua directament sobre el diafragma ressonant, canviant la seva rigidesa equivalent, i la vibració és excitada pels elements d'excitació posats en el propi diafragma. Aquesta estructura té requisits de procés senzills. Tanmateix, atès que el propi diafragma està en contacte directe amb el medi mesurat, per a estructures de diafragma a nivell de micres o fins i tot nanòmetres, cal tenir en compte el problema de la dissipació d'energia de vibració causada per la quantitat a mesurar.
Un altre enfocament és una estructura sensible composta formada per un diafragma-sensible a la pressió i un ressonador. En aquesta estructura, l'element sensible ressonant es col·loca normalment en una posició adequada del diafragma-sensible a la pressió i s'encarrega de detectar indirectament la quantitat que s'ha de mesurar. Sota l'acció de la càrrega de pressió, el diafragma es deforma, provocant un canvi en la tensió axial de l'element sensible i alterant així la seva freqüència de ressonància. L'avantatge destacat de l'estructura sensible composta és que l'element sensible ressonant està aïllat del medi mesurat, evitant la influència directa d'aquest últim. A més, l'element sensible pot funcionar en un entorn de buit, cosa que és beneficiós per mantenir un factor de qualitat relativament alt. A més, el rang de mesura es pot canviar ajustant adequadament els paràmetres estructurals del diafragma-sensible a la pressió.
Materials sensibles ressonants
Actualment, amb el desenvolupament continu de la tecnologia MEMS i els canvis en les condicions ambientals d'aplicació dels sensors, els requisits de mida dels sensors micro-ressonants augmenten gradualment. Entre ells, la mida de l'estructura sensible-ressonant està passant gradualment del nivell de micres al nivell nanòmetre. Tanmateix, les propietats físiques dels materials de silici no són impecables. Quan el seu gruix es redueix a diversos centenars de nanòmetres, és probable que es produeixin defectes i és probable que sorgeixin problemes com ara la dificultat per controlar la qualitat del dispositiu i la poca uniformitat. Per tant, és força necessari buscar noves solucions.
Amb l'exploració activa d'investigadors nacionals i estrangers, s'han aplicat una gran quantitat de nanomaterials, com ara els nanotubs de diamants i de carboni, en el camp dels sensors micro/nano-electromecànics. Tanmateix, hi ha relativament pocs informes bibliogràfics relacionats amb sensors ressonants. En els últims anys, el grafè, un nanomaterial emergent, ha atret l'atenció generalitzada d'experts i estudiosos en el camp dels sensors a causa de les seves propietats mecàniques, elèctriques, òptiques i altres úniques. Ha aportat noves idees d'investigació i oportunitats per al desenvolupament de nous tipus de sensors micro-ressonants i fins i tot sensors de ressonància nano{-electromecànics, i s'espera que substitueixi els materials de silici i provoqui canvis revolucionaris en el camp dels sensors ressonants.