Sensores resonantesson un tipo de sensores cuasi-digitales que utilizan la cantidad física medida para cambiar las características resonantes de la estructura sensible resonante y emiten directamente señales de frecuencia. Estos sensores funcionan en el estado resonante mecánico de la estructura sensible resonante (también conocida como resonador o elemento resonante), se ven menos afectados por los cambios en los parámetros del circuito externo y poseen una resolución, estabilidad y capacidad antiinterferencia relativamente altas.
En la etapa inicial, los sensores resonantes utilizaban principalmente materiales como metal o cuarzo para preparar estructuras sensibles a la resonancia, como cilindros resonantes, diafragmas resonantes y diapasones compuestos. En consecuencia, los tamaños de los sensores en cuestión eran grandes y su consumo de energía elevado. Desde finales de la década de 1980, algunas-empresas internacionales reconocidas han aprovechado las excelentes propiedades físicas de los materiales de silicio y las han combinado con técnicas de procesamiento MEMS (sistemas micro-electro-mecánicos) para fabricar sensores resonantes micro-estructurados de silicio. Las dimensiones características de estos sensores pueden alcanzar el nivel de micras o incluso sub-micras. Los representantes típicos de este tipo de sensores son los micro-sensores de presión resonantes de silicio y los acelerómetros micro{11}}resonantes de silicio.
Los sensores micro-resonantes de silicio no solo poseen el excelente rendimiento de los sensores resonantes generales, sino que también tienen las características de tamaño pequeño, bajo consumo de energía, respuesta dinámica rápida, fácil integración y producción en masa. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en campos como el control industrial, la electrónica de consumo y el sector aeroespacial. Con el desarrollo continuo de la tecnología de procesamiento MEMS y el aumento continuo de los requisitos de aplicaciones prácticas, los sensores micro-resonantes continúan desarrollándose hacia un alto rendimiento, alta sensibilidad, miniaturización e incluso la dirección de los sistemas nano-electromecánicos (NEMS). Sin embargo, dado que las micro-estructuras de silicio son propensas a sufrir defectos cuando se reducen a unos pocos cientos de nanómetros, es difícil reducir aún más el tamaño característico de los sensores correspondientes, lo que limita el rendimiento de medición y los campos de aplicación de los micro-sensores resonantes de silicio. Por lo tanto, explorar nuevos materiales que puedan usarse para un rendimiento excelente y tamaño pequeño y desarrollar nuevos tipos de sensores resonantes se ha convertido naturalmente en una posible tendencia de desarrollo de sensores micro-resonantes.
Teorías fundamentales de los microsensores resonantes de silicio -
Mecanismo sensible resonante
El principio de funcionamiento de los sensores resonantes radica en la utilización del principio de retroalimentación positiva - para formar un sistema autoexcitado de bucle - cerrado - que incluye un resonador, una unidad de excitación/detección y una unidad de amplificación, como se muestra en la siguiente figura. Entre ellos, la estructura sensible - resonante es la parte central del sistema de circuito cerrado - y opera en su propio modo de vibración natural. La unidad de excitación genera una señal de excitación para hacer que la estructura sensible - resonante produzca vibración mecánica. La unidad de detección capta su señal de vibración y la convierte en una señal eléctrica. Después de ser procesada por la unidad de amplificación, se convierte en una fuerza de excitación a través de la unidad de excitación y se retroalimenta positivamente al resonador para mantener la vibración de frecuencia - estable del resonador en su frecuencia de resonancia. La cantidad medida modula el estado resonante del resonador de cierta manera. Midiendo la señal de frecuencia de salida -, se puede calcular la magnitud de la cantidad medida. Para los sensores micro - resonantes, sus estructuras sensibles resonantes - se preparan mediante tecnología de micro - mecanizado, y sus dimensiones geométricas pueden alcanzar el orden de varios cientos o incluso decenas de micrómetros. Mediante el diseño de una estructura sensible - resonante razonable, combinada con múltiples parámetros sensibles como la frecuencia de vibración, fase y amplitud del resonador, se puede realizar la medición de diversas cantidades físicas como fuerza, aceleración y velocidad angular.
Diseño de estructuras resonantes-sensibles
La estructura sensible-resonante es el componente central de varios sensores resonantes y es responsable de detectar directa o indirectamente la cantidad que se va a medir. Su diseño afectará directamente la precisión de la medición, la sensibilidad, el rendimiento dinámico y otros indicadores del sensor. En términos de formas estructurales, las estructuras micro-sensibles comúnmente utilizadas en sensores micro-resonantes incluyen membranas resonantes, haces resonantes, diapasones fijos de doble-extremos, etc. Entre ellos, el haz resonante y las estructuras de diapasón vibratorio se utilizan más ampliamente en sensores de presión micro-resonantes y sensores de acelerómetro.
En los micro-sensores de presión resonantes de silicio, la estructura sensible-resonante se suele dividir en dos métodos de implementación clásicos según si la cantidad a medir está en contacto directo con ella:
Una es la estructura de membrana resonante, como se muestra en la siguiente figura. En esta estructura, la presión actúa directamente sobre el diafragma resonante, cambiando su rigidez equivalente, y la vibración es excitada por los elementos de excitación colocados en el propio diafragma. Esta estructura tiene requisitos de proceso simples. Sin embargo, dado que el diafragma en sí está en contacto directo con el medio medido, para estructuras de diafragma a nivel de micras o incluso nanómetros, es necesario considerar el problema de la disipación de energía de vibración causada por la cantidad a medir.
Otro enfoque es una estructura sensible compuesta por un diafragma-sensible a la presión y un resonador. En esta estructura, el elemento sensible a resonancia generalmente se coloca en una posición apropiada en el diafragma sensible a la presión-y es responsable de detectar indirectamente la cantidad a medir. Bajo la acción de la carga de presión, el diafragma se deforma, provocando un cambio en la tensión axial del elemento sensible y alterando así su frecuencia de resonancia. La ventaja destacada de la estructura sensible compuesta es que el elemento sensible resonante está aislado del medio medido, evitando la influencia directa de este último. Además, el elemento sensible puede funcionar en un entorno de vacío, lo que resulta beneficioso para mantener un factor de calidad relativamente alto. Además, el rango de medición se puede cambiar ajustando adecuadamente los parámetros estructurales del diafragma sensible a la presión-.
Materiales sensibles a resonancias
Actualmente, con el desarrollo continuo de la tecnología MEMS y los cambios en las condiciones ambientales de aplicación de los sensores, los requisitos para el tamaño de los sensores micro-resonantes están aumentando gradualmente. Entre ellos, el tamaño de la estructura sensible-resonante está pasando gradualmente del nivel de micras al nivel de nanómetros. Sin embargo, las propiedades físicas de los materiales de silicio no son perfectas. Cuando su espesor se reduce a varios cientos de nanómetros, es probable que se produzcan defectos y problemas como dificultad para controlar la calidad del dispositivo y poca uniformidad. Por tanto, es muy necesario buscar nuevas soluciones.
Gracias a la exploración activa de investigadores nacionales y extranjeros, se han aplicado una gran cantidad de nanomateriales, como diamantes y nanotubos de carbono, en el campo de los sensores micro/nano{0}}electromecánicos. Sin embargo, hay relativamente pocos informes bibliográficos relacionados con sensores resonantes. En los últimos años, el grafeno, un nanomaterial emergente, ha atraído una amplia atención por parte de expertos y académicos en el campo de los sensores debido a sus propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y de otro tipo únicas. Ha aportado nuevas ideas de investigación y oportunidades para el desarrollo de nuevos tipos de sensores micro-resonantes e incluso nano-sensores resonantes electromecánicos, y se espera que reemplace los materiales de silicio y desencadene cambios revolucionarios en el campo de los sensores resonantes.