공진 센서측정된 물리량을 활용하여 공진 감지 구조의 공진 특성을 변경하고 주파수 신호를 직접 출력하는 일종의 준{0}}디지털 센서입니다. 이러한 센서는 공진 감지 구조(공진기 또는 공진 요소라고도 함)의 기계적 공진 상태에서 작동하고 외부 회로 매개변수의 변화에 덜 영향을 받으며 상대적으로 높은 분해능, 안정성 및 -간섭 방지 기능을 보유합니다.
초기 단계의 공진 센서는 주로 금속이나 석영과 같은 재료를 사용하여 공진 실린더, 공진 다이어프램 및 복합 소리굽쇠와 같은 공진 감지 구조를 준비했습니다. 이에 따라 관련 센서 제품의 크기도 크고 소비전력도 높았다. 1980년대 후반부터 일부-유명한 국제 기업에서는 실리콘 소재의 우수한 물리적 특성을 활용하고 MEMS(Micro-Electro{5}}Mechanical Systems) 처리 기술을 결합하여 실리콘 마이크로 구조 공진 센서를 제작해 왔습니다. 이러한 센서의 특성 크기는 미크론 또는 심지어 서브-미크론 수준에 도달할 수 있습니다. 이러한 유형의 센서의 일반적인 대표자는 실리콘 마이크로{10}}압력 센서와 실리콘 마이크로{11}}가속도계입니다.
실리콘 마이크로{0}}공진형 센서는 일반 공진형 센서의 우수한 성능을 보유할 뿐만 아니라 작은 크기, 낮은 전력 소비, 빠른 동적 응답, 손쉬운 통합 및 대량 생산의 특성을 갖습니다. 따라서 산업 제어, 가전제품, 항공우주 등의 분야에서 널리 사용됩니다. MEMS 처리 기술의 지속적인 개발과 실제 응용 요구 사항의 지속적인 증가로 인해 마이크로-}공진 센서는 고성능, 고감도, 소형화 및 나노{4}}전자 기계 시스템(NEMS) 방향으로 계속 발전하고 있습니다. 그러나 실리콘 마이크로- 구조는 수백 나노미터 크기로 축소하면 결함이 발생하기 쉽기 때문에 해당 센서의 특성 크기를 더 이상 줄이기 어렵고, 이로 인해 실리콘 마이크로- 공진 센서의 측정 성능 및 응용 분야가 제한됩니다. 따라서 우수한 성능과 작은 크기를 구현할 수 있는 신소재를 탐색하고 새로운 형태의 공진형 센서를 개발하는 것이 자연스럽게 마이크로-공진형 센서의 잠재적 개발 트렌드가 되었습니다.
실리콘 마이크로 - 공진 센서의 기본 이론
공진 감지 메커니즘
공진형 센서의 작동 원리는 아래 그림과 같이 공진기, 여기/검출 장치 및 증폭 장치를 포함하는 폐쇄형 - 루프 자가 - 여기 시스템을 형성하기 위해 포지티브 - 피드백 원리를 활용하는 것입니다. 그 중 공진 - 민감 구조는 폐쇄형 - 루프 시스템의 핵심 부분이며 자체 자연 진동 모드로 작동합니다. 여기 장치는 공진 - 민감 구조가 기계적 진동을 발생시키도록 여기 신호를 생성합니다. 감지 장치는 진동 신호를 포착하여 전기 신호로 변환합니다. 증폭부에서 처리된 후 가진부를 통해 가진력으로 변환되어 공진기로 긍정적으로 피드백되어 공진기의 안정적인 - 주파수 진동을 공진 주파수에서 유지합니다. 측정된 양은 특정 방식을 통해 공진기의 공진 상태를 변조합니다. 출력 - 주파수 신호를 측정하여 측정량의 크기를 계산할 수 있습니다. 마이크로 - 공진 센서의 경우 공진 - 민감한 구조는 마이크로 - 가공 기술로 준비되며 기하학적 치수는 수백 또는 수십 마이크로미터에 이를 수 있습니다. 공진기의 진동 주파수, 위상 및 진폭과 같은 여러 민감한 매개변수와 결합된 합리적인 공진 - 민감 구조의 설계를 통해 힘, 가속도 및 각속도와 같은 다양한 물리량의 측정이 실현될 수 있습니다.
공명{0}}민감한 구조 설계
공진{0}}민감 구조는 다양한 공진 센서의 핵심 구성 요소이며 측정할 양을 직간접적으로 감지하는 역할을 담당합니다. 그 디자인은 측정 정확도, 감도, 동적 성능 및 기타 센서 지표에 직접적인 영향을 미칩니다. 구조적 형태 측면에서, 미세 공진 센서에서 일반적으로 사용되는 미세 -민감 구조에는 공진막, 공진 빔, 양단 고정 소리굽쇠 등이 포함됩니다. 그 중 공진빔과 진동 소리굽쇠 구조는 미세 공진 압력 센서와 가속도계 센서에 가장 널리 사용됩니다.
실리콘 마이크로{0}}공진 압력 센서에서 공진에 민감한-구조는 일반적으로 측정할 양이 직접 접촉하는지 여부에 따라 두 가지 기본 구현 방법으로 나뉩니다.
하나는 아래 그림과 같이 공명막 구조입니다. 이 구조에서는 압력이 공진 다이어프램에 직접 작용하여 등가 강성이 변경되고 다이어프램 자체에 설정된 가진 요소에 의해 진동이 여기됩니다. 이 구조에는 간단한 프로세스 요구 사항이 있습니다. 그러나 다이어프램 자체가 측정 매체와 직접 접촉하기 때문에 마이크론 또는 나노미터 수준의 다이어프램 구조의 경우 측정할 양으로 인해 발생하는 진동 에너지 소산 문제를 고려해야 합니다.
또 다른 접근 방식은 압력 감지 다이어프램과 공진기로 구성된 복합 감지 구조입니다.{0}} 이 구조에서 공진 감지 요소는 일반적으로 압력 감지 다이어프램의 적절한 위치에 배치되며 측정할 양을 간접적으로 감지하는 역할을 합니다. 압력 부하가 작용하면 다이어프램이 변형되어 민감한 요소의 축 응력이 변경되고 공진 주파수가 변경됩니다. 복합 감응 구조의 뛰어난 장점은 공진 감응 요소가 측정 매체로부터 분리되어 측정 매체의 직접적인 영향을 피한다는 것입니다. 또한 민감한 요소는 진공 환경에서 작동할 수 있으므로 상대적으로 높은 품질 요소를 유지하는 데 유리합니다. 또한 압력-감응형 다이어프램의 구조적 매개변수를 적절하게 조정하여 측정 범위를 변경할 수 있습니다.
공명에 민감한 재료
현재 MEMS 기술의 지속적인 발전과 센서 적용 환경 조건의 변화로 인해 마이크로-공진형 센서의 크기에 대한 요구 사항이 점차 증가하고 있습니다. 그 중 공진{2}}민감 구조의 크기는 미크론 수준에서 나노미터 수준으로 점차 변화하고 있다. 그러나 실리콘 소재의 물리적 특성은 완벽하지 않습니다. 두께가 수백 나노미터로 줄어들면 결함이 발생하기 쉽고, 소자 품질 제어가 어렵고 균일성이 떨어지는 등의 문제가 발생할 가능성이 높습니다. 그러므로 새로운 해결책을 찾는 것이 반드시 필요합니다.
국내외 연구진의 활발한 연구로 다이아몬드, 탄소나노튜브 등 상당수의 나노소재가 마이크로/나노{0}}전기기계 센서 분야에 응용되고 있다. 그러나 공진 센서와 관련된 문헌 보고는 상대적으로 적다. 지난 몇 년 동안 신흥 나노물질인 그래핀은 독특한 기계적, 전기적, 광학적 및 기타 특성으로 인해 센서 분야의 전문가와 학자들로부터 광범위한 관심을 받아왔습니다. 이는 새로운 유형의 마이크로-공진 센서는 물론 나노-전자 기계 공진 센서 개발을 위한 새로운 연구 아이디어와 기회를 가져왔으며, 실리콘 소재를 대체하고 공진 센서 분야에 혁신적인 변화를 촉발할 것으로 예상됩니다.