Sensor resonansiadalah jenis sensor kuasi-digital yang memanfaatkan kuantitas fisik terukur untuk mengubah karakteristik resonansi struktur sensitif resonansi dan secara langsung mengeluarkan sinyal frekuensi. Sensor ini beroperasi dalam keadaan resonansi mekanis dari struktur sensitif resonansi (juga dikenal sebagai resonator atau elemen resonansi), tidak terlalu terpengaruh oleh perubahan parameter sirkuit eksternal, dan memiliki resolusi, stabilitas, dan kemampuan anti-interferensi yang relatif tinggi.
Pada tahap awal, sensor resonansi terutama menggunakan bahan seperti logam atau kuarsa untuk menyiapkan struktur sensitif resonansi, seperti silinder resonansi, diafragma resonansi, dan garpu tala majemuk. Sejalan dengan itu, ukuran produk sensor terkait berukuran besar dan konsumsi dayanya tinggi. Sejak akhir tahun 1980-an, beberapa-perusahaan internasional terkenal telah memanfaatkan sifat fisik bahan silikon yang sangat baik dan dikombinasikan dengan teknik pemrosesan MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) untuk membuat sensor resonansi terstruktur mikro-silikon. Dimensi karakteristik sensor ini dapat mencapai tingkat mikron atau bahkan sub-mikron. Perwakilan umum dari jenis sensor ini adalah sensor tekanan resonansi mikro silikon dan akselerometer resonansi mikro silikon.
Sensor resonansi mikro-silikon tidak hanya memiliki kinerja luar biasa dari sensor resonansi umum namun juga memiliki karakteristik ukuran kecil, konsumsi daya rendah, respons dinamis cepat, integrasi mudah, dan produksi massal. Oleh karena itu, mereka banyak digunakan di berbagai bidang seperti kontrol industri, elektronik konsumen, dan ruang angkasa. Dengan perkembangan berkelanjutan dari teknologi pemrosesan MEMS dan peningkatan terus-menerus dalam persyaratan aplikasi praktis, sensor resonansi mikro terus berkembang menuju kinerja tinggi, sensitivitas tinggi, miniaturisasi, dan bahkan ke arah Sistem Elektromekanik Nano (NEMS). Namun, karena struktur mikro-silikon rentan terhadap cacat bila diperkecil hingga ukuran beberapa ratus nanometer, sulit untuk mengurangi lebih lanjut ukuran karakteristik sensor terkait, yang membatasi kinerja pengukuran dan bidang aplikasi sensor resonansi mikro-silikon. Oleh karena itu, mengeksplorasi material baru yang dapat digunakan untuk kinerja luar biasa dan ukuran kecil serta mengembangkan jenis sensor resonansi baru tentu saja menjadi tren pengembangan potensial sensor-resonansi mikro.
Teori Dasar Sensor Resonansi Mikro Silikon -
Mekanisme Sensitif Resonansi
Prinsip kerja sensor resonansi terletak pada pemanfaatan prinsip umpan balik positif - untuk membentuk sistem tereksitasi - loop self - tertutup yang mencakup resonator, unit eksitasi/deteksi, dan unit amplifikasi, seperti terlihat pada gambar di bawah. Diantaranya, struktur sensitif resonansi - adalah bagian inti dari sistem loop tertutup - dan beroperasi dalam mode getaran alaminya sendiri. Unit eksitasi menghasilkan sinyal eksitasi yang menyebabkan struktur sensitif resonansi - menghasilkan getaran mekanis. Unit pendeteksi mengambil sinyal getarannya dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. Setelah diproses oleh unit amplifikasi, diubah menjadi gaya eksitasi melalui unit eksitasi dan diumpankan kembali secara positif ke resonator untuk menjaga kestabilan getaran frekuensi - resonator pada frekuensi resonansinya. Kuantitas yang diukur memodulasi keadaan resonansi resonator melalui cara tertentu. Dengan mengukur sinyal frekuensi keluaran -, besaran besaran yang diukur dapat dihitung. Untuk sensor resonansi mikro -, struktur sensitif resonansi - disiapkan oleh teknologi pemesinan mikro -, dan dimensi geometrisnya dapat mencapai ratusan atau bahkan puluhan mikrometer. Melalui desain struktur sensitif resonansi - yang masuk akal, dikombinasikan dengan beberapa parameter sensitif seperti frekuensi getaran, fase, dan amplitudo resonator, pengukuran berbagai kuantitas fisik seperti gaya, percepatan, dan kecepatan sudut dapat direalisasikan.
Desain Struktur Sensitif-Resonansi
Struktur-sensitif resonansi adalah komponen inti dari berbagai sensor resonansi dan bertanggung jawab untuk secara langsung atau tidak langsung merasakan kuantitas yang akan diukur. Desainnya akan secara langsung mempengaruhi akurasi pengukuran, sensitivitas, kinerja dinamis, dan indikator sensor lainnya. Dalam hal bentuk struktural, struktur sensitif mikro-yang umum digunakan dalam sensor resonansi mikro mencakup membran resonansi, berkas resonansi, garpu tala tetap berujung ganda, dan sebagainya. Diantaranya, struktur berkas resonansi dan garpu tala bergetar paling banyak digunakan dalam sensor tekanan resonansi mikro dan sensor akselerometer.
Dalam sensor tekanan resonansi mikro-silikon, struktur sensitif-resonansi biasanya dibagi menjadi dua metode implementasi klasik berdasarkan apakah kuantitas yang akan diukur bersentuhan langsung dengannya:
Salah satunya adalah struktur membran resonansi, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah. Dalam struktur ini, tekanan langsung bekerja pada diafragma resonansi, mengubah kekakuan ekivalennya, dan getaran tereksitasi oleh elemen eksitasi yang dipasang pada diafragma itu sendiri. Struktur ini memiliki persyaratan proses yang sederhana. Namun, karena diafragma itu sendiri bersentuhan langsung dengan media yang diukur, untuk struktur diafragma pada tingkat mikron atau bahkan nanometer, masalah disipasi energi getaran yang disebabkan oleh besaran yang akan diukur perlu dipertimbangkan.
Pendekatan lainnya adalah struktur sensitif komposit yang terdiri dari diafragma yang peka terhadap tekanan dan resonator. Dalam struktur ini, elemen sensitif resonansi biasanya ditempatkan pada posisi yang sesuai pada diafragma sensitif tekanan dan bertanggung jawab untuk secara tidak langsung merasakan besaran yang akan diukur. Di bawah pengaruh beban tekanan, diafragma berubah bentuk, mengakibatkan perubahan tegangan aksial elemen sensitif dan dengan demikian mengubah frekuensi resonansinya. Keuntungan luar biasa dari struktur sensitif komposit adalah bahwa elemen sensitif resonansi diisolasi dari media yang diukur, menghindari pengaruh langsung dari media yang diukur. Selain itu, elemen sensitif dapat bekerja di lingkungan vakum, yang bermanfaat untuk menjaga faktor kualitas yang relatif tinggi. Selain itu, rentang pengukuran dapat diubah dengan menyesuaikan parameter struktural diafragma sensitif tekanan secara tepat.
Bahan Sensitif Resonan
Saat ini, dengan terus berkembangnya teknologi MEMS dan perubahan kondisi lingkungan penerapan sensor, persyaratan ukuran sensor{0}resonansi mikro semakin meningkat. Diantaranya, ukuran struktur sensitif-resonansi secara bertahap bertransisi dari tingkat mikron ke tingkat nanometer. Namun, sifat fisik bahan silikon bukannya tanpa cacat. Ketika ketebalannya dikurangi hingga beberapa ratus nanometer, kemungkinan besar akan terjadi cacat, dan masalah seperti kesulitan dalam mengontrol kualitas perangkat dan keseragaman yang buruk kemungkinan besar akan muncul. Oleh karena itu, sangat perlu dicari solusi baru.
Dengan eksplorasi aktif para peneliti dalam dan luar negeri, cukup banyak bahan nano, seperti berlian dan tabung nano karbon, telah diterapkan di bidang sensor elektromekanis mikro/nano-. Namun, hanya ada sedikit laporan literatur terkait sensor resonansi. Dalam beberapa tahun terakhir, graphene, sebuah material nano yang sedang berkembang, telah menarik perhatian luas dari para ahli dan cendekiawan di bidang sensor karena sifat mekanik, listrik, optik, dan lainnya yang unik. Hal ini telah membawa ide penelitian baru dan peluang untuk pengembangan jenis sensor resonansi mikro-baru dan bahkan sensor resonansi elektromekanis nano-, dan diharapkan dapat menggantikan bahan silikon dan memicu perubahan revolusioner di bidang sensor resonansi.