實驗名稱：功率放大器在MEMS微結(jié)構(gòu)模態(tài)測試研究中的應(yīng)用

研究方向：元器件測試

測試目的：

隨著MEMS器件在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，對微結(jié)構(gòu)進行模態(tài)測試獲得其動態(tài)特性參數(shù)對微結(jié)構(gòu)的設(shè)計、仿真、制造、以及質(zhì)量控制和評價等方面具有十分重要的意義?？紤]到微結(jié)構(gòu)具有尺寸小、固有頻率高、振幅小等特點，且應(yīng)用于不同環(huán)境中，因此，本文針對在高溫20~300℃環(huán)境下對單晶硅和304不銹鋼等截面矩形微懸臂梁進行模態(tài)測試，提出了基于空耦超聲激勵的方法，從理論分析、模擬仿真和實驗測試三個方面研究了微懸臂梁固有頻率與溫度之間的變化關(guān)系。

測試設(shè)備：ATA-2042功率放大器、超聲探頭、模擬量輸出板卡、工業(yè)控制計算機、控制器、數(shù)據(jù)采集卡、鉑電阻溫度傳感器、數(shù)字溫控儀表等。

實驗過程：

基于空氣耦合超聲激勵方法對MEMS微結(jié)構(gòu)在常溫(20℃)~高溫(300℃)狀態(tài)下進行模態(tài)測試的研究，通過在不同溫度下獲取被測微結(jié)構(gòu)的振動信號，來分析微結(jié)構(gòu)的固有頻率與溫度之間的關(guān)系。在搭建實驗裝置之前，首先要了解并解決三個問題：對微結(jié)構(gòu)的激振；對微結(jié)構(gòu)振動信號的測量；高溫環(huán)境的實現(xiàn)。

圖：測試系統(tǒng)的總體框圖

根據(jù)以上對搭建實驗裝置之前三個問題的分析，可知，基于空氣耦合超聲激勵對MEMS微結(jié)構(gòu)進行模態(tài)測試的技術(shù)方案為：采用基于空氣耦合超聲聚焦換能器裝置發(fā)射的超聲波對微結(jié)構(gòu)進行激勵；采用激光多普勒測振儀裝置檢測微結(jié)構(gòu)在高溫下的振動響應(yīng)信號；采用電阻加熱的方法創(chuàng)造高溫環(huán)境。測試系統(tǒng)的總體框圖如上圖所示，主要包括溫度控制單元、空氣耦合超聲激勵單元、激光多普勒測振單元。

空氣耦合超聲激勵單元主要包括點聚焦空氣耦合超聲探頭，該探頭的帶寬為140kHz，焦距為38mm，焦點區(qū)域直徑為2mm，具有350kHz的額定功率，且探頭的有效直徑為13mm，點聚焦有較小的光束輪廓，焦距更長，可提供更大的分辨率和更高的能量強度；包括安泰Aigtek公司的ATA-2042功率放大器，它是一款可放大交直流信號的雙通道的高壓信號放大器，最大輸出功率為400Vp-p(±200Vp)，最大輸出電流100mAp，帶寬為（-3dB）DC~500kHz，壓擺率≥445V/μs，可以驅(qū)動高壓型負載，電壓增益數(shù)控可調(diào)，一鍵保存常用設(shè)置，提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發(fā)生器配套使用，實現(xiàn)信號的完美放大；還包括模擬量輸出板卡和工業(yè)控制計算機。在需要對微結(jié)構(gòu)進行激勵時，首先使用工業(yè)控制計算機中Labview編寫任意波形發(fā)生器產(chǎn)生載波頻率為fc=350kHz的雙邊帶抑制載波調(diào)幅信號(DSB-SC-AM)，其調(diào)制頻率Δf可在0~140kHz范圍內(nèi)任意選取，該信號輸入PCI-1721-AE模擬量輸出板卡中，模擬量經(jīng)過模擬通道輸出進入ATA-2042功率放大器中，驅(qū)動信號在ATA-2042功率放大器中放大到峰-峰值400V后驅(qū)動點聚焦空氣耦合超聲探頭發(fā)射兩束頻率差為Δf的超聲波，兩束超聲波被聚焦到微結(jié)構(gòu)表面形成干涉，使得微結(jié)構(gòu)以差頻Δf進行振動。在0~140kHz范圍內(nèi)依次改變調(diào)制頻率Δf去激勵微結(jié)構(gòu)，使得激光多普勒測振儀能夠獲取微結(jié)構(gòu)在每個差頻Δf下的振動響應(yīng)信號，當(dāng)差頻Δf與微結(jié)構(gòu)固有頻率一致時，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諧振。

圖：基于空氣耦合超聲激勵的MEMS模態(tài)測試實驗裝置

激光多普勒測振單元主要由OFV-3001控制器、OFV-512光學(xué)頭，PCI-1712UL-AE數(shù)據(jù)采集卡和IPC-610L工業(yè)控制計算機組成。振動信號檢測的原理為由OFV-512光學(xué)頭發(fā)射的激光束聚焦在被測物體上，反射光的頻率和相位發(fā)生改變，從被測物體上反射回來并耦合傳到傳感器頭中的干涉儀中，與內(nèi)部參考光束的相位和頻率進行比較，就可以計算出被測物體的運動速度和位置，進而獲得微結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)。如上圖所示，振動測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)1.5MHz的測試帶寬，激光光斑最小直徑可以達到15μm。微結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)信號由OFV-512光學(xué)頭拾取，傳輸?shù)絆FV-3001控制器中的速度解碼器中進行解碼，再經(jīng)過PCI-1712UL-AE數(shù)據(jù)采集卡送入到IPC-610L工業(yè)控制計算機當(dāng)中，最終由Laview編寫的數(shù)據(jù)采集程序?qū)ξ⒔Y(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)信號進行分析和存儲。

溫度控制單元包括Pt100鉑電阻溫度傳感器、ADAM3013信號調(diào)理模塊、E5AZ-C3MT型數(shù)字溫控儀表、JKH-D1可控硅觸發(fā)器、BTA06雙向可控硅和筒式電阻加熱器。為了實現(xiàn)在高溫300℃的環(huán)境下對微結(jié)構(gòu)進行測試，四個筒式電阻加熱器被均勻安裝在黃銅安裝板四個側(cè)壁的安裝孔內(nèi)，筒式電阻加熱器產(chǎn)生的熱量，通過熱傳導(dǎo)的方式一層一層的到達微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)的加熱；然后用溫度的采集范圍為-200℃～+850℃的Pt100鉑電阻溫度傳感器來檢測微結(jié)構(gòu)當(dāng)前的溫度，將采集到的溫度信號通過ADAM3013信號調(diào)理模塊送入到E5AZ-C3MT型數(shù)字溫控儀表中，經(jīng)過與設(shè)定所需的溫度值進行比較，通過JKH-D1可控硅觸發(fā)器來控制BTA06雙向可控硅的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)對筒式電阻加熱器加熱功率的智能控制，進而實現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)溫度的準確控制。

實驗結(jié)果：

建立了高溫環(huán)境微結(jié)構(gòu)模態(tài)測試系統(tǒng)：采用基于空氣耦合超聲聚焦換能器裝置發(fā)射的超聲波對微結(jié)構(gòu)進行激勵；采用激光多普勒測振儀裝置檢測微結(jié)構(gòu)在高溫下的振動響應(yīng)信號；采用電阻加熱的方法創(chuàng)造高溫環(huán)境。

安泰ATA-2042高壓放大器：

圖：ATA-2042功率放大器指標參數(shù)

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本文實驗案例參考自知網(wǎng)論文《基于空耦超聲激勵的MEMS微結(jié)構(gòu)模態(tài)測試方法研究》