أجهزة الاستشعار الرنانةهي نوع من أجهزة الاستشعار شبه الرقمية التي تستخدم الكمية الفيزيائية المقاسة لتغيير خصائص الرنين للبنية الحساسة الرنانة وإخراج إشارات التردد مباشرة. تعمل هذه المستشعرات في حالة الرنين الميكانيكي للبنية الحساسة للرنين (المعروفة أيضًا باسم الرنان أو عنصر الرنين)، وتكون أقل تأثرًا بالتغيرات في معلمات الدائرة الخارجية، وتمتلك دقة عالية نسبيًا، وثباتًا، وقدرة مضادة للتداخل-.
في المرحلة المبكرة، استخدمت أجهزة الاستشعار الرنانة بشكل أساسي مواد مثل المعدن أو الكوارتز لإعداد الهياكل الحساسة للرنين، مثل الأسطوانات الرنانة، والأغشية الرنانة، والشوك الرنانة المركبة. وفي المقابل، كانت أحجام منتجات الاستشعار ذات الصلة كبيرة وكان استهلاكها للطاقة مرتفعًا. منذ أواخر الثمانينيات، استفادت بعض الشركات العالمية المعروفة- من الخصائص الفيزيائية الممتازة لمواد السيليكون ودمجتها مع تقنيات المعالجة MEMS (الأنظمة الكهربائية-الكهربائية الدقيقة) لتصنيع أجهزة استشعار رنانة دقيقة من السيليكون-. يمكن أن تصل الأبعاد المميزة لهذه المستشعرات إلى مستوى الميكرون أو حتى مستوى أقل من - ميكرون. الممثلون النموذجيون لهذا النوع من المستشعرات هم مستشعرات ضغط الرنين الصغير- المصنوعة من السيليكون ومقاييس التسارع ذات الرنين الصغير- المصنوعة من السيليكون.
لا تتمتع أجهزة استشعار الرنين الدقيقة- المصنوعة من السيليكون بالأداء الممتاز لأجهزة استشعار الرنين العامة فحسب، بل تتميز أيضًا بخصائص الحجم الصغير والاستهلاك المنخفض للطاقة والاستجابة الديناميكية السريعة والتكامل السهل والإنتاج الضخم. ولذلك، فهي تستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل التحكم الصناعي، والالكترونيات الاستهلاكية، والفضاء. مع التطوير المستمر لتقنية معالجة MEMS والزيادة المستمرة في متطلبات التطبيق العملي، تستمر أجهزة الاستشعار ذات الرنين الصغير في التطور نحو الأداء العالي والحساسية العالية والتصغير وحتى اتجاه الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية (NEMS). ومع ذلك، نظرًا لأن هياكل السيليكون الدقيقة- تكون عرضة للعيوب عند تقليلها إلى بضع مئات من أحجام النانومتر، فمن الصعب تقليل الحجم المميز لأجهزة الاستشعار المقابلة بشكل أكبر، مما يحد من أداء القياس ومجالات التطبيق لأجهزة استشعار السيليكون الدقيقة- الرنانة. ولذلك، فإن استكشاف مواد جديدة يمكن استخدامها للحصول على أداء ممتاز وحجم صغير وتطوير أنواع جديدة من أجهزة الاستشعار الرنانة أصبح بطبيعة الحال اتجاهًا محتملاً لتطوير أجهزة الاستشعار ذات الرنين الصغير-.
النظريات الأساسية لمستشعرات الرنين الدقيقة - من السيليكون
آلية حساسية الرنين
يكمن مبدأ عمل أجهزة استشعار الرنين في استخدام مبدأ التغذية المرتدة الإيجابية - لتكوين نظام متحمس ذاتي - حلقة مغلقة - يشتمل على مرنان ووحدة إثارة/اكتشاف ووحدة تضخيم، كما هو موضح في الشكل أدناه. من بينها، البنية الحساسة الرنانة - هي الجزء الأساسي من نظام الحلقة المغلقة - وتعمل في وضع الاهتزاز الطبيعي الخاص بها. تولد وحدة الإثارة إشارة إثارة لتسبب البنية الحساسة للرنين - في إنتاج اهتزاز ميكانيكي. تلتقط وحدة الكشف إشارة الاهتزاز الخاصة بها وتحولها إلى إشارة كهربائية. بعد معالجتها بواسطة وحدة التضخيم، يتم تحويلها إلى قوة إثارة من خلال وحدة الإثارة ويتم تغذيتها بشكل إيجابي مرة أخرى إلى الرنان للحفاظ على اهتزاز تردد الرنان المستقر - عند تردد الرنين الخاص به. تعدل الكمية المقاسة حالة الرنين للمرنان بطريقة معينة. من خلال قياس إشارة تردد الخرج -، يمكن حساب حجم الكمية المقاسة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار الرنانة الدقيقة -، يتم إعداد بنياتها الحساسة الرنانة - بواسطة تقنية التصنيع الدقيقة -، ويمكن أن تصل أبعادها الهندسية إلى عدة مئات أو حتى عشرات الميكرومترات. من خلال تصميم هيكل حساس رنين معقول -، مقترنًا بمعلمات حساسة متعددة مثل تردد الاهتزاز والطور وسعة الرنان، يمكن قياس الكميات الفيزيائية المختلفة مثل القوة والتسارع والسرعة الزاوية.
تصميم الهياكل الرنانة-الحساسة
تعد البنية الحساسة -للرنين هي المكون الأساسي لأجهزة استشعار الرنين المختلفة وهي مسؤولة عن استشعار الكمية المطلوب قياسها بشكل مباشر أو غير مباشر. سيؤثر تصميمه بشكل مباشر على دقة القياس والحساسية والأداء الديناميكي والمؤشرات الأخرى للمستشعر. فيما يتعلق بالأشكال الهيكلية، تشتمل الهياكل الحساسة - الشائعة الاستخدام في أجهزة الاستشعار ذات الرنين الصغير - على أغشية رنانة وحزم رنانة وشوكات رنانة ثابتة مزدوجة الأطراف - وما إلى ذلك. من بينها، تُستخدم هياكل شعاع الرنين والشوكة الرنانة المهتزة على نطاق واسع في أجهزة استشعار ضغط الرنين الدقيقة وأجهزة استشعار مقياس التسارع.
في مستشعرات ضغط الرنين الدقيقة- المصنوعة من السيليكون، يتم عادةً تقسيم البنية الحساسة -للرنين إلى طريقتين كلاسيكيتين للتنفيذ وفقًا لما إذا كانت الكمية المراد قياسها على اتصال مباشر بها:
أحدهما هو بنية الغشاء الرنان، كما هو موضح في الشكل أدناه. في هذا الهيكل، يؤثر الضغط مباشرة على الحجاب الحاجز الرنيني، مما يغير صلابته المكافئة، ويتم إثارة الاهتزاز بواسطة عناصر الإثارة الموضوعة على الحجاب الحاجز نفسه. هذا الهيكل لديه متطلبات عملية بسيطة. ومع ذلك، بما أن الحجاب الحاجز نفسه على اتصال مباشر مع الوسط المقاس، بالنسبة لهياكل الحجاب الحاجز على مستوى الميكرون أو حتى النانومتر، فإن مشكلة تبديد طاقة الاهتزاز الناتجة عن الكمية المراد قياسها تحتاج إلى النظر فيها.
هناك طريقة أخرى تتمثل في إنشاء بنية حساسة مركبة تتكون من غشاء حساس للضغط -ومرنان. في هذا الهيكل، عادة ما يتم وضع العنصر الحساس الرنيني في موضع مناسب على الحجاب الحاجز الحساس للضغط - ويكون مسؤولاً عن استشعار الكمية المراد قياسها بشكل غير مباشر. تحت تأثير حمل الضغط، يتشوه الحجاب الحاجز، مما يؤدي إلى تغير في الضغط المحوري للعنصر الحساس وبالتالي تغيير تردد الرنين. الميزة البارزة للهيكل الحساس المركب هي أن العنصر الحساس الرنيني معزول عن الوسط المقاس، مما يؤدي إلى تجنب التأثير المباشر للأخير. علاوة على ذلك، يمكن للعنصر الحساس أن يعمل في بيئة مفرغة، وهو أمر مفيد للحفاظ على عامل الجودة العالي نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تغيير نطاق القياس عن طريق ضبط المعلمات الهيكلية للغشاء الحساس للضغط - بشكل مناسب.
المواد الحساسة الرنانة
في الوقت الحالي، مع التطوير المستمر لتقنية MEMS والتغيرات في الظروف البيئية للتطبيقات الخاصة بأجهزة الاستشعار، تتزايد المتطلبات المتعلقة بحجم أجهزة الاستشعار ذات الرنين الصغير- تدريجيًا. من بينها، حجم البنية الحساسة -للرنين ينتقل تدريجيًا من مستوى الميكرون إلى مستوى النانومتر. ومع ذلك، فإن الخصائص الفيزيائية لمواد السيليكون ليست خالية من العيوب. عندما يتم تقليل سمكها إلى عدة مئات من النانومترات، تكون عرضة لحدوث العيوب، ومن المحتمل أن تظهر مشاكل مثل صعوبة التحكم في جودة الجهاز وضعف التجانس. لذلك، من الضروري جدًا البحث عن حلول جديدة.
ومن خلال الاستكشاف النشط للباحثين المحليين والأجانب، تم تطبيق عدد لا بأس به من المواد النانوية، مثل الماس وأنابيب الكربون النانوية، في مجال أجهزة الاستشعار الكهروميكانيكية الدقيقة/النانو-. ومع ذلك، هناك عدد قليل نسبيًا من التقارير الأدبية المتعلقة بأجهزة الاستشعار الرنانة. في السنوات القليلة الماضية، اجتذب الجرافين، وهو مادة نانوية ناشئة، اهتمامًا واسع النطاق من الخبراء والعلماء في مجال أجهزة الاستشعار نظرًا لخصائصه الميكانيكية والكهربائية والبصرية الفريدة وغيرها. لقد جلب أفكارًا وفرصًا بحثية جديدة لتطوير أنواع جديدة من أجهزة الاستشعار ذات الرنين الصغير-وحتى أجهزة الاستشعار الكهروميكانيكية الرنانة النانوية-، ومن المتوقع أن تحل محل مواد السيليكون وتؤدي إلى تغييرات ثورية في مجال أجهزة الاستشعار الرنانة.