Resonanzsensorensind eine Art quasi-{0}digitale Sensoren, die die gemessene physikalische Größe nutzen, um die Resonanzeigenschaften der resonanzempfindlichen Struktur zu ändern und Frequenzsignale direkt auszugeben. Diese Sensoren arbeiten im mechanischen Resonanzzustand der resonanzempfindlichen Struktur (auch als Resonator oder Resonanzelement bezeichnet), werden weniger von Änderungen der externen Schaltkreisparameter beeinflusst und verfügen über eine relativ hohe Auflösung, Stabilität und Anti-{2}}-Interferenzfähigkeit.
In der Anfangsphase verwendeten Resonanzsensoren hauptsächlich Materialien wie Metall oder Quarz, um resonanzempfindliche Strukturen wie Resonanzzylinder, Resonanzmembranen und zusammengesetzte Stimmgabeln herzustellen. Dementsprechend waren die Abmessungen der relevanten Sensorprodukte groß und ihr Stromverbrauch hoch. Seit den späten 1980er Jahren haben einige namhafte internationale Unternehmen die hervorragenden physikalischen Eigenschaften von Siliziummaterialien genutzt und mit MEMS-Verarbeitungstechniken (Micro-Electro-Mechanical Systems) kombiniert, um mikro-strukturierte Resonanzsensoren aus Silizium herzustellen. Die charakteristischen Abmessungen dieser Sensoren können den Mikrometer- oder sogar Sub-Mikrometer-Bereich erreichen. Die typischen Vertreter dieser Art von Sensoren sind Silizium-Mikroresonanz-Drucksensoren und Silizium-Mikroresonanz-Beschleunigungsmesser.
Silizium-Mikroresonanzsensoren verfügen nicht nur über die hervorragende Leistung allgemeiner Resonanzsensoren, sondern zeichnen sich auch durch geringe Größe, geringen Stromverbrauch, schnelle dynamische Reaktion, einfache Integration und Massenproduktion aus. Daher werden sie häufig in Bereichen wie Industriesteuerung, Unterhaltungselektronik und Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der MEMS-Verarbeitungstechnologie und dem kontinuierlichen Anstieg der praktischen Anwendungsanforderungen entwickeln sich Mikroresonanzsensoren weiter in Richtung hoher Leistung, hoher Empfindlichkeit, Miniaturisierung und sogar in Richtung nano-elektromechanischer Systeme (NEMS). Da Silizium-Mikro--Strukturen jedoch anfällig für Defekte sind, wenn sie auf eine Größe von einigen hundert Nanometern reduziert werden, ist es schwierig, die charakteristische Größe der entsprechenden Sensoren weiter zu reduzieren, was die Messleistung und Anwendungsbereiche von Silizium-Mikro--Resonanzsensoren einschränkt. Daher ist die Erforschung neuer Materialien, die für hervorragende Leistung und geringe Größe verwendet werden können, und die Entwicklung neuer Arten von Resonanzsensoren natürlich zu einem potenziellen Entwicklungstrend von Mikroresonanzsensoren geworden.
Grundlegende Theorien von Silizium-Mikro---Resonanzsensoren
Resonanzempfindlicher Mechanismus
Das Funktionsprinzip resonanter Sensoren liegt in der Nutzung des positiven --Rückkopplungsprinzips, um ein selbsterregtes System mit geschlossener --Schleife - zu bilden, das einen Resonator, eine Anregungs-/Detektionseinheit und eine Verstärkungseinheit umfasst, wie in der Abbildung unten dargestellt. Unter ihnen ist die resonante --empfindliche Struktur der Kernbestandteil des geschlossenen --Schleifensystems und arbeitet in ihrem eigenen natürlichen Schwingungsmodus. Die Anregungseinheit erzeugt ein Anregungssignal, um die resonante --empfindliche Struktur dazu zu bringen, mechanische Schwingungen zu erzeugen. Die Detektionseinheit nimmt sein Vibrationssignal auf und wandelt es in ein elektrisches Signal um. Nach der Verarbeitung durch die Verstärkungseinheit wird es durch die Anregungseinheit in eine Anregungskraft umgewandelt und positiv zum Resonator zurückgekoppelt, um die stabile --Frequenzschwingung des Resonators auf seiner Resonanzfrequenz aufrechtzuerhalten. Die gemessene Größe moduliert den Resonanzzustand des Resonators auf bestimmte Weise. Durch Messung des ausgegebenen --Frequenzsignals kann die Größe der gemessenen Größe berechnet werden. Bei Mikro---Resonanzsensoren werden ihre resonanten --empfindlichen Strukturen durch Mikro---Bearbeitungstechnologie hergestellt und ihre geometrischen Abmessungen können die Größenordnung von mehreren Hundert oder sogar mehreren zehn Mikrometern erreichen. Durch den Entwurf einer vernünftigen resonanten --empfindlichen Struktur in Kombination mit mehreren empfindlichen Parametern wie der Schwingungsfrequenz, Phase und Amplitude des Resonators kann die Messung verschiedener physikalischer Größen wie Kraft, Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit realisiert werden.
Design resonant-empfindlicher Strukturen
Die resonante -empfindliche Struktur ist die Kernkomponente verschiedener Resonanzsensoren und für die direkte oder indirekte Erfassung der zu messenden Größe verantwortlich. Sein Design wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit, Empfindlichkeit, dynamische Leistung und andere Indikatoren des Sensors aus. Was die Strukturformen anbelangt, umfassen die häufig verwendeten mikro{3}}empfindlichen Strukturen in Mikro-resonanzsensoren Resonanzmembranen, Resonanzbalken, doppelseitige feste Stimmgabeln und so weiter. Unter diesen werden die resonanten Balken- und vibrierenden Stimmgabelstrukturen am häufigsten in Mikroresonanz-Drucksensoren und Beschleunigungssensoren verwendet.
Bei mikroresonanten Silizium-Drucksensoren wird die resonanzempfindliche Struktur üblicherweise in zwei klassische Implementierungsmethoden unterteilt, je nachdem, ob die zu messende Größe in direktem Kontakt mit ihr steht:
Eine davon ist die resonante Membranstruktur, wie in der Abbildung unten dargestellt. Bei dieser Struktur wirkt der Druck direkt auf die Resonanzmembran und verändert deren entsprechende Steifigkeit. Die Schwingung wird durch die auf der Membran selbst angebrachten Anregungselemente angeregt. Diese Struktur stellt einfache Prozessanforderungen. Da jedoch die Membran selbst in direktem Kontakt mit dem Messmedium steht, muss bei Membranstrukturen im Mikrometer- oder sogar Nanometerbereich das Problem der durch die zu messende Größe verursachten Vibrationsenergiedissipation berücksichtigt werden.
Ein anderer Ansatz ist eine zusammengesetzte empfindliche Struktur, die aus einer druckempfindlichen Membran und einem Resonator besteht. Bei dieser Struktur wird das resonanzempfindliche Element normalerweise an einer geeigneten Position auf der druckempfindlichen Membran platziert und ist für die indirekte Erfassung der zu messenden Größe verantwortlich. Unter der Wirkung der Druckbelastung verformt sich die Membran, was zu einer Änderung der axialen Spannung des empfindlichen Elements und damit zu einer Änderung seiner Resonanzfrequenz führt. Der herausragende Vorteil der zusammengesetzten empfindlichen Struktur besteht darin, dass das resonante empfindliche Element vom Messmedium isoliert ist und somit der direkte Einfluss des letzteren vermieden wird. Darüber hinaus kann das empfindliche Element in einer Vakuumumgebung arbeiten, was für die Aufrechterhaltung eines relativ hohen Qualitätsfaktors von Vorteil ist. Darüber hinaus kann der Messbereich durch entsprechende Anpassung der Strukturparameter der druckempfindlichen Membran verändert werden.
Resonanzempfindliche Materialien
Derzeit steigen mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der MEMS-Technologie und den Veränderungen in den Anwendungsumgebungsbedingungen von Sensoren die Anforderungen an die Größe von Mikroresonanzsensoren allmählich. Dabei geht die Größe der resonanten -empfindlichen Struktur allmählich vom Mikrometer- zum Nanometer-Niveau über. Allerdings sind die physikalischen Eigenschaften von Siliziummaterialien nicht einwandfrei. Wenn seine Dicke auf mehrere hundert Nanometer reduziert wird, besteht die Gefahr von Defekten und es können Probleme wie Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Gerätequalität und schlechte Gleichmäßigkeit auftreten. Daher ist es durchaus notwendig, nach neuen Lösungen zu suchen.
Durch die aktive Erforschung in- und ausländischer Forscher wurde eine ganze Reihe von Nanomaterialien, wie etwa Diamant- und Kohlenstoffnanoröhren, im Bereich mikro-/nano-elektromechanischer Sensoren eingesetzt. Es gibt jedoch relativ wenige Literaturberichte zu resonanten Sensoren. In den letzten Jahren hat Graphen, ein aufstrebendes Nanomaterial, aufgrund seiner einzigartigen mechanischen, elektrischen, optischen und anderen Eigenschaften große Aufmerksamkeit bei Experten und Wissenschaftlern im Sensorbereich auf sich gezogen. Es hat neue Forschungsideen und Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Arten von Mikroresonanzsensoren und sogar elektromechanischen Nanoresonanzsensoren hervorgebracht und soll Siliziummaterialien ersetzen und revolutionäre Veränderungen auf dem Gebiet der Resonanzsensoren auslösen.