Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры
4.7. Кантилеверы
С использованием современных микросистемных технологий механические колебательные системы удается теперь выполнять в удивительно малых размерах. Особенно популярными в этой области стали так называемые кантилеверы (сantilever) – закрепленные на одном конце упругие длинные балки, напоминающие по форме трамплины, с которых спортсмены прыгают в воду [ [ 77 ] , [ 102 ] , [ 139 ] , [ 155 ] ]. В качестве примера на рис. 4.7 показаны три кантилевера 1, сформированные методами МСТ в кристалле кремния 2.
Рис. 4.7. Пример конструкции кремниевых кантилеверов: 1 - кантилеверы; 2 - основной объем кремния; справа – увеличенное изображение кантилевера; 3 - чувствительная зона; 4 - пьезорезистор; 5 и 6 - электроды для возбуждения и поддержания механических колебаний
Справа один из кантилеверов показан в увеличенном виде. На его верхней поверхности формируют чувствительную зону 3 и пьезорезистор 4, а снизу – электрод 5. Для возбуждения и поддержания незатухающих механических колебаний кантилеверов 1 используют обычно электростатические силы, создаваемые подачей переменного напряжения между кантилевером и электродом возбуждения 6, сформированным на подложке из кремния. Необходимую положительную обратную связь обеспечивают пьезорезисторы 4, формируемые вблизи закрепленного конца кантилевера, где сосредоточены наибольшие деформации. Механические колебания автоматически поддерживаются на резонансной частоте свободных колебаний кантилевера. Обычно эта частота составляет несколько мегагерц. Возбуждение и поддержание незатухающих механических колебаний кантилеверов можно осуществлять также другими способами: магнитным, электромагнитным и т.д.
На чувствительную зону 3 наносят "рецепторный слой" – покрытие, избирательно чувствительное к контролируемому химическому веществу или к определенному белку, вирусу либо к другому аналиту. Если этот аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер (газ, жидкость), то некоторые его атомы (молекулы, частицы) химически связываются с чувствительным покрытием 3. Из-за вызываемого этим незначительного изменения массы частота механических колебаний кантилевера изменяется. Соответственно изменяется и частота сигналов от пьезорезистора 4. Эти сигналы воспринимаются и обрабатываются электронными схемами, которые сформированы в том же кристалле кремния. Поскольку собственная масса кантилевера очень мала и фиксируются даже очень незначительные изменения частоты, то чувствительность таких вибрационных сенсоров оказывается достаточно высокой. Oak Ridge National Laboratory сообщила, например, о регистрации с помощью сенсора на кантилеверах рекордно малого количества аналита – 5,5 фемтограмма (10–15 г) [ [ 62 ] ]. Ведутся работы по созданию в одной кремниевой микросхеме целого набора сенсоров на кантилеверах, каждый из которых настроен на свой аналит. Это будет настоящая химическая или биохимическая лаборатория на чипе, – ведь в одном кристалле можно поместить сотни таких сенсоров. Однако разработка технологии покрытия каждого из сотен кантилеверов своим специфическим, чувствительным к своему аналиту слоем, – это очень не простая задача.
Ученые из университета Пердью (США) исследовали поведение "нанокантилеверов" – кантилеверов толщиной порядка 20 нм и длиной порядка 1 мкм [ [ 268 ] ]. Оказалось, что в отличие от кантилеверов толщиной в несколько мкм и длиной в десятки микрометров, в которых увеличение массы чувствительного слоя приводит к уменьшению резонансной частоты колебаний, в нанокантилеверах резонансная частота при абсорбции аналита возрастает. Это объясняется тем, что слой чувствительного вещества и присоединяющиеся к нему частицы аналита имеют здесь приблизительно такую же толщину, как и сам кантилевер, и сравнимые с ним размеры. Поэтому в данном случае не только прибавляется масса, но и возрастает коэффициент жесткости кантилевера. Исследователи также неожиданно для себя обнаружили, что более длинные кантилеверы захватывают из окружающей среды намного большее количество аналита, и что плотность захваченных частиц аналита возрастает вблизи свободного конца кантилевера. Сейчас ученые разрабатывают математическую модель чувствительности нанокантилеверов с целью доведения ее до уровня, когда станет возможным обнаруживать присутствие в среде даже единичных частиц аналита (патогенов, антител, молекул ядовитых веществ и т.п.).
4.8. Виброанализаторы
Свою собственную резонансную частоту имеют не только пьезокристаллы, мембраны, кантилеверы. Каждая механическая конструкция имеет свои резонансные частоты, свои характерные колебательные свойства. И при любых механических повреждениях или деформациях картина их собственных колебаний изменяется. Это создает принципиальную возможность по изменению картины механических колебаний обнаруживать нежелательные изменения и дефекты, которые появились в конструкции. Научно-техническую дисциплину, которая этим занимается, называют вибродиагностикой, а приборы для измерения и анализа механических колебаний – виброметрами и виброанализаторами.
За последние десятилетия техника виброметрии значительно усовершенствовалась благодаря созданию новых надежных малогабаритных пьезоэлектрических и емкостных акселерометров, которые превращают механические колебания в электрические сигналы и, будучи интеллектуальными, сразу же анализируют получаемую картину колебаний, выдают на выход не сырые сигналы, а результаты их анализа. Вибрации машин, механизмов, отдельных их деталей, как правило, являются сложными колебаниями, суперпозицией многих колебательных составляющих. Одним из основных методов, помогающих разобраться в них, является частотный анализ, который называют также спектральным. Наличие в составе вибрационного сенсора встроенного микропроцессора, памяти и матричного дисплея позволило выполнять спектральный анализ механических колебаний непосредственно в сенсоре и выводить на дисплей не только требуемые интегральные параметры колебаний, но и их частотные спектры. Это позволяет наглядно увидеть частотную структуру колебаний, связанную с основными механическими движениями отдельных узлов и деталей контролируемого механизма, быстро выявить источник нежелательных или полезных изменений.
Фотографии некоторых современных интеллектуальных виброметров показаны на рис. 4.8. Они состоят из небольшого основного корпуса, в котором находятся элементы питания, вся электроника, дисплей и органы управления, и выносного щупа – пьезоэлектрического детектора вибраций. Кончиком щупа легко притрагиваются к выбранной точке исследуемого механизма. Сенсор сам измеряет вибрации, запоминает данные измерений на протяжении заданного интервала времени и после обработки в микропроцессоре выводит полученные результаты на индикатор.
Рис. 4.8. Примеры современных интеллектуальных виброметра-виброанализатора (слева) и вибротестера (справа)
Как правило, измеряются и запоминаются переменные ускорения (от 0,01 м/с2 до 200 м/с2), скорости (от 0,1 мм/с до 100 мм/с) и амплитуды вибраций (от 0,003 мм до 3 мм) в диапазоне частот 1 – 10000 Гц. Вычисляются их среднеквадратичные и пиковые значения, выполняется спектральный анализ колебаний и выводится спектр вибраций. Встроенный микропроцессор может быть запрограммирован также и на вибродиагностику конкретных механизмов. Тогда он по заранее заложенным признакам сам интерпретирует частотные составляющие вибраций, выводит на дисплей допустимые для данного механизма диапазоны значений и подает сигналы предупреждения в случае выхода параметров за границы допустимого диапазона.
Такие виброметры широко применяют ныне для защиты людей, машин, механизмов и сооружений от действия вредных вибраций, для быстрого и точного балансирования механизмов, для подбора средств эффективной борьбы с вибрациями. Необременительный ежедневный контроль с помощью портативных вибросенсоров валов работающих мощных двигателей, механических приводов, ответственных элементов конструкций позволяет своевременно выявить начало угрожающих скрытых изменений в конструкциях. Легко выявляются, например, ослабление креплений, уменьшение жесткости опор, увеличение или уменьшение промежутков между элементами машин, появление трещин, дисбалансов, нарушение центрирования, изнашивание подшипников и т.п. Таким образом можно предупредить возможные сложные аварии, сделав предупредительный ремонт, своевременное регулирование или замену, и сэкономить значительные средства. Устраняются потери из-за снижения качества продукции, внеплановых остановок производственных процессов, повреждения механизмов, продолжительных ремонтных работ и т.п. [ [ 185 ] , [ 306 ] , [ 307 ] ].