Датчики, основанные на «явлении резонанса», охватывают широкий спектр важных современных приложений, включая обнаружение биологических и химических агентов и измерение физических величин. Резонансные явления происходят со всеми типами волн: электромагнитными, оптическими и акустическими. В этом обзоре сообщается о самых последних достижениях в разработке и применении резонансных «пассивных» датчиков, то есть резонансных датчиков, способных работать с удаленным источником питания и/или способных связываться с удаленным приемопередатчиком. Датчики, рассматриваемые в данном обзоре, включают акустические, магнитоупругие и электромагнитные преобразователи. Они представлены через их соответствующие технологические аспекты и их основные преимущества, которые включают их интегрируемость во встроенные системы и/или системы, требующие автономности энергии. Кроме того, использование этих резонансных датчиков проиллюстрировано в самых разных приложениях, начиная от мониторинга окружающей среды, мониторинга состояния конструкции, контроля упаковки пищевых продуктов, носимых или имплантированных датчиков для мониторинга физиологических параметров в приложениях, связанных со здравоохранением, до Интернета вещей и будущей промышленности. приложения для мониторинга. ВВЕДЕНИЕ Научный и технический прогресс позволил удовлетворительно рассмотреть обнаружение и мониторинг в режиме реального времени окружающих физических величин или химических или биологических веществ в газообразных или жидких средах, включая биологические жидкости. Физические датчики (температура, давление, деформация, ускорение, магнитное поле…) уже широко используются в производстве и применяются в самых разных секторах, включая автомобильную, потребительскую и т. д. Профилактическое обслуживание и раннее обнаружение отказов, мониторинг вибрации, промышленные Интернет вещей (IoT) и подключенные устройства являются примерами ключевых приложений. Коммерческие платформы также позволяют обнаруживать, диагностировать, отслеживать или количественно оценивать интересующие величины при концентрациях до нескольких частиц на миллиард (ppb) и мкг/л химических или биологических видов по цене от нескольких сотен до нескольких тысяч. долларов. Сочетание недорогой конструкции датчика и оптимизации энергопотребления имеет решающее значение для Индустрии 4.0. Это приведет к быстро реагирующим и гибким производственным процессам с датчиками, интегрированными на протяжении всего жизненного цикла продукта. Что касается приложений, связанных с мониторингом газообразных флюидов, коммерческие системы основаны на различных принципах. Некоторые датчики заявляют об идентификации рисков взрыва, например, пеллисторы и инфракрасные детекторы [1]. Среди устройств и детекторов, предназначенных для обнаружения и мониторинга в режиме реального времени газов или летучих органических соединений (ЛОС) в низких концентрациях, наиболее распространены электрохимические датчики, датчики оксидов металлов (МОх), фотоионизационный детектор (ФИД) и масс-спектроскопия 2]. Что касается анализа биологических и жидких жидкостей в медицине или окружающей среде, обычными методами являются спектрометрия атомной эмиссии плазмы, индуцированная лазером [3], циклическая вольтамперометрия [4], полимеразная цепная реакция в реальном времени (ПЦР) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) [5], твердофазный иммуноферментный анализ (ИФА) [6], радиоиммуноанализ (РИА) [7] и иммунофлуоресценция [8]. Однако эти системы часто являются дорогостоящими и требуют времени и высококвалифицированного персонала из-за методов аппаратуры и связанного с ними анализа сигналов.

Несмотря на замечательные технологические достижения, разработка датчиков с высокой чувствительностью, стабильностью, масштабируемостью, воспроизводимостью с учетом воздействия мешающих факторов окружающей среды, низким пределом обнаружения (LOD), эффективной селективностью по отношению к биологическим или химическим видам, энергией автономность, простота использования результатов и разумный уровень затрат остаются главной проблемой [9]. Также стоит отметить, что некоторые обычные преобразователи, связанные с наноструктурированными материалами, такими как оксиды металлов и полупроводники, работают при высоких температурах или на низких частотах или с громоздкими и дорогими инструментами для характеризации, поэтому требуют специального оборудования и значительного энергопотребления. Это затрудняет разработку бортовых или коммуникационных систем, а значит, их развертывание в реальной среде и рентабельный маркетинг. С другой стороны, среда обитания человека богата естественными и искусственными резонаторами, начиная от вибрации кристаллической решетки, музыкальных инструментов и заканчивая сложными устройствами, такими как кварцевые часы, лазеры, спектрометрические системы. Обычно под резонансом понимают усиление отклика системы на внешнее возбуждение на определенной частоте, равной или близкой к ее естественной внутренней частоте. Многие физические системы также демонстрируют противоположное явление, когда их отклик уменьшается или подавляется, если выполняется какое-либо условие резонанса; это называется антирезонансом. Резонанс в виде стоячих волн или в результате рассеяния волн лежит в основе многих известных резонансных явлений в электронике, оптике и акустике. Как следствие, резонаторы могут быть сконструированы различными способами на основе акустических, электромагнитных, оптических и электронных интерференций волн и их связи. Для датчиков резонанс может быть безэнергетическим, он позволяет проводить измерения с высокой точностью и высоким отношением сигнал/шум, действуя как селективный фильтр, отбрасывающий бесполезную часть сигнала. Сообщалось о резонирующих преобразователях, основанных на широком диапазоне частот волн, таких как радиочастота [10], акустические волны [11] и микроволны [12]. Эти технологии по своей сути пассивны, универсальны, портативны и подходят для работы на высоких частотах, поэтому, возможно, могут считываться по беспроводной сети. Их производство основано на полупроводниковых или аддитивных технологиях, что позволяет производить их массово по привлекательным ценам. Кроме того, принципы работы могут дополнять друг друга. Например, акустические платформы обладают исключительной чувствительностью к механическим поверхностным эффектам, а именно к вязкоупругости и плотности массы, в то время как электромагнитные волны особенно чувствительны к электрическим изменениям, включая диэлектрическую проницаемость и проводимость. Их объединение с различными структурированными наноматериалами, работающими при температуре окружающей среды, от органических, неорганических полупроводников, мезопористых материалов, углеродистых и других 2D-подобных наноструктурированных материалов, твердых электролитов до проводящих или полимерных материалов, позволило получить небольшие устройства обнаружения с низким энергопотреблением и высокой чувствительностью. . Работа при комнатной температуре также является ключевым преимуществом для легковоспламеняющихся рабочих сред. В этом контексте в этом обзоре предлагается сосредоточиться на наиболее распространенных и многообещающих пассивных резонансных датчиках, которые произвели революцию в измерениях в реальном времени. Первая часть посвящена подробному обзору принципов акустических, магнитоупругих, микроволновых и радиочастотных преобразователей и дистанционного зондирования. Затем проиллюстрировано множество приложений. Наконец, обобщаются и обсуждаются перспективы развития.
ВЫВОДЫ
В ходе этого обзора мы определили требования к датчикам, необходимым для решения различных социальных проблем, от окружающей среды до проблем со здоровьем, включая безопасность и будущее промышленности и городов.
После этого мы представили анализ преобразователей упругих волн, разработанных на сегодняшний день, со сравнением, показывающим важные параметры для проектирования акустических устройств, соответствующих требованиям целевых приложений. В статье описаны материалы, а также методы дистанционного зондирования, используемые для целей мониторинга. Аналогичным образом обсуждались различные категории электромагнитных преобразователей РЧ. Кроме того, был описан обзор некоторых важных исследовательских работ, направленных на различные применения этих резонансных акустических и радиочастотных датчиков для обнаружения аналитов в газообразных и жидких жидкостях, а также для мониторинга физических величин. С положительной стороны, инновации в конструкции, доступность материалов и прогресс в технологии позволили создать очень чувствительные резонаторы, как сообщается в литературе и иллюстрируется включенными таблицами и соответствующими обсуждениями с точки зрения приложений. Тем не менее, существуют ограничения для того, чтобы сделать эти датчики рыночными. Прежде всего, «избирательность» остается серьезной проблемой для текущих исследований в области химических и биологических сенсоров. В разделе, посвященном будущим задачам и возникающим потенциальным решениям, сообщается о некоторых направлениях, которые могут распространяться на желаемые потребности.