Rezonans sensörlerirezonansa duyarlı yapının rezonans özelliklerini değiştirmek ve doğrudan frekans sinyallerini çıkarmak için ölçülen fiziksel miktarı kullanan bir tür yarı{0}}dijital sensördür. Bu sensörler, rezonansa duyarlı yapının (rezonatör veya rezonans elemanı olarak da bilinir) mekanik rezonans durumunda çalışır, harici devre parametrelerindeki değişikliklerden daha az etkilenir ve nispeten yüksek çözünürlük, kararlılık ve anti-girişim yeteneğine sahiptir.
İlk aşamada rezonans sensörleri, rezonans silindirleri, rezonans diyaframları ve bileşik diyapazonlar gibi rezonansa duyarlı yapıları hazırlamak için çoğunlukla metal veya kuvars gibi malzemeler kullanıyordu. Buna bağlı olarak ilgili sensör ürünlerinin boyutları büyüktü ve güç tüketimleri yüksekti. 1980'lerin sonlarından bu yana,-tanınmış bazı uluslararası şirketler, silikon malzemelerin mükemmel fiziksel özelliklerinden yararlandı ve silikon mikro-yapılı rezonans sensörleri üretmek için MEMS (Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler) işleme teknikleriyle birleştirdi. Bu sensörlerin karakteristik boyutları mikron, hatta mikron-altı seviyeye ulaşabilir. Bu tür sensörlerin tipik temsilcileri silikon mikro-rezonans basınç sensörleri ve silikon mikro-rezonans ivmeölçerlerdir.
Silikon mikro{0}}rezonans sensörleri yalnızca genel rezonans sensörlerinin mükemmel performansına sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda küçük boyut, düşük güç tüketimi, hızlı dinamik yanıt, kolay entegrasyon ve seri üretim özelliklerine de sahiptir. Bu nedenle endüstriyel kontrol, tüketici elektroniği ve havacılık gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. MEMS işleme teknolojisinin sürekli gelişmesi ve pratik uygulama gereksinimlerinin sürekli artmasıyla birlikte mikro-mikrorezonans sensörleri, yüksek performans, yüksek hassasiyet, minyatürleştirme ve hatta Nano-Elektromekanik Sistemlerin (NEMS) yönüne doğru gelişmeye devam ediyor. Bununla birlikte, silikon mikro-yapılar birkaç yüz nanometre boyuta indirildiğinde kusurlara eğilimli olduğundan, karşılık gelen sensörlerin karakteristik boyutunu daha da azaltmak zordur, bu da silikon mikro-rezonans sensörlerinin ölçüm performansını ve uygulama alanlarını sınırlar. Bu nedenle, mükemmel performans ve küçük boyut için kullanılabilecek yeni malzemelerin keşfedilmesi ve yeni türde rezonans sensörlerinin geliştirilmesi, doğal olarak mikro-sensörlerin potansiyel bir gelişim trendi haline geldi.
Silikon Mikro - Rezonans Sensörlerinin Temel Teorileri
Rezonansa Duyarlı Mekanizma
Rezonans sensörlerinin çalışma prensibi, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi bir rezonatör, bir uyarma/algılama ünitesi ve bir amplifikasyon ünitesi içeren kapalı bir - döngü kendinden - uyarılmış sistem oluşturmak için pozitif - geri besleme prensibinin kullanılmasında yatmaktadır. Bunların arasında rezonans - duyarlı yapısı, kapalı - döngü sisteminin temel parçasıdır ve kendi doğal titreşim modunda çalışır. Uyarma ünitesi, rezonansa - duyarlı yapının mekanik titreşim üretmesini sağlamak için bir uyarma sinyali üretir. Algılama ünitesi titreşim sinyalini alır ve bunu elektrik sinyaline dönüştürür. Amplifikasyon ünitesi tarafından işlendikten sonra, uyarı ünitesi aracılığıyla bir uyarı kuvvetine dönüştürülür ve rezonatörün kararlı - frekans titreşimini rezonans frekansında korumak için rezonatöre pozitif olarak geri beslenir. Ölçülen miktar, rezonatörün rezonans durumunu belirli bir şekilde modüle eder. Çıkış - frekans sinyali ölçülerek ölçülen miktarın büyüklüğü hesaplanabilir. Mikro - rezonans sensörlerin rezonans - duyarlı yapıları mikro - işleme teknolojisi ile hazırlanmakta olup, geometrik boyutları birkaç yüz hatta onlarca mikrometre mertebesine ulaşabilmektedir. Rezonatörün titreşim frekansı, fazı ve genliği gibi birden fazla hassas parametreyle birleştirilmiş makul bir rezonansa - duyarlı yapının tasarımı sayesinde kuvvet, ivme ve açısal hız gibi çeşitli fiziksel niceliklerin ölçümü gerçekleştirilebilir.
Rezonans-Hassas Yapıların Tasarımı
Rezonansa-duyarlı yapı, çeşitli rezonans sensörlerinin temel bileşenidir ve ölçülecek miktarın doğrudan veya dolaylı olarak algılanmasından sorumludur. Tasarımı, sensörün ölçüm doğruluğunu, hassasiyetini, dinamik performansını ve diğer göstergelerini doğrudan etkileyecektir. Yapısal formlar açısından, mikro-mikrorezonans sensörlerinde yaygın olarak kullanılan mikro-hassas yapılar arasında rezonans membranları, rezonans ışınları, çift-uçlu sabit diyapazonlar vb. yer alır. Bunların arasında, rezonans ışın ve titreşimli diyapazon yapıları, mikro-mikrorezonans basınç sensörleri ve ivmeölçer sensörlerinde en yaygın şekilde kullanılır.
Silikon mikro-rezonans basınç sensörlerinde, rezonansa-duyarlı yapı, ölçülecek miktarın kendisiyle doğrudan temas halinde olup olmamasına göre genellikle iki klasik uygulama yöntemine ayrılır:
Bunlardan biri, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi rezonans membran yapısıdır. Bu yapıda basınç, rezonans diyaframına doğrudan etki ederek eşdeğer sertliğini değiştirir ve titreşim, diyaframın üzerinde ayarlanan uyarma elemanları tarafından uyarılır. Bu yapının basit süreç gereksinimleri vardır. Ancak diyaframın kendisi ölçülen ortamla doğrudan temas halinde olduğundan, mikron ve hatta nanometre düzeyindeki diyafram yapıları için, ölçülecek miktarın neden olduğu titreşim enerjisi dağılımı sorununun dikkate alınması gerekir.
Diğer bir yaklaşım ise basınca-duyarlı bir diyafram ve bir rezonatörden oluşan bileşik duyarlı bir yapıdır. Bu yapıda rezonansa duyarlı eleman genellikle basınca-duyarlı diyafram üzerinde uygun bir konuma yerleştirilir ve ölçülecek miktarın dolaylı olarak algılanmasından sorumludur. Basınç yükünün etkisi altında diyafram deforme olur, bu da hassas elemanın eksenel geriliminde bir değişikliğe ve dolayısıyla rezonans frekansının değişmesine neden olur. Kompozit duyarlı yapının göze çarpan avantajı, rezonansa duyarlı elemanın ölçülen ortamdan izole edilmesi ve ikincisinin doğrudan etkisinden kaçınılmasıdır. Ayrıca, hassas eleman vakumlu bir ortamda çalışabilir ve bu da nispeten yüksek bir kalite faktörünün korunması açısından faydalıdır. Ayrıca, basınca duyarlı diyaframın yapısal parametrelerinin uygun şekilde ayarlanmasıyla ölçüm aralığı değiştirilebilir-.
Rezonansa Duyarlı Malzemeler
Şu anda, MEMS teknolojisinin sürekli gelişmesi ve sensörlerin uygulama ortam koşullarındaki değişikliklerle birlikte, mikro{0}}sensörlerin boyutuna yönelik gereksinimler giderek artmaktadır. Bunların arasında, rezonansa-duyarlı yapının boyutu yavaş yavaş mikron seviyesinden nanometre seviyesine doğru geçiş yapıyor. Ancak silikon malzemelerin fiziksel özellikleri kusursuz değildir. Kalınlığı birkaç yüz nanometreye düştüğünde kusurların oluşması muhtemeldir ve cihaz kalitesinin kontrol edilmesinde zorluk ve zayıf tekdüzelik gibi sorunların ortaya çıkması muhtemeldir. Bu nedenle yeni çözümler aramak oldukça gerekli.
Yerli ve yabancı araştırmacıların aktif araştırmaları sayesinde, elmas ve karbon nanotüpler gibi çok sayıda nanomalzeme, mikro/nano-elektromekanik sensörler alanında uygulanmıştır. Ancak rezonans sensörleri ile ilgili nispeten az sayıda literatür raporu bulunmaktadır. Geçtiğimiz birkaç yılda, yeni ortaya çıkan bir nanomateryal olan grafen, benzersiz mekanik, elektriksel, optik ve diğer özelliklerinden dolayı sensör alanındaki uzmanların ve akademisyenlerin büyük ilgisini çekti. Yeni tür mikro-rezonans sensörlerinin ve hatta nano-elektromekanik rezonans sensörlerinin geliştirilmesi için yeni araştırma fikirleri ve fırsatlar getirdi ve silikon malzemelerin yerini alması ve rezonans sensörleri alanında devrim niteliğinde değişiklikleri tetiklemesi bekleniyor.