功率放大器在MEMS微結(jié)構(gòu)模態(tài)測試研究中的應(yīng)用
實(shí)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(jìn)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(diǎn)，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(jìn)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(shí)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(jī)、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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)。
圖：測試系統(tǒng)的總體框圖
根據(jù)以上對搭建實(shí)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)聚焦空氣耦合超聲探頭，該探頭的帶寬為140kHz，焦距為38mm，焦點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(fù)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(shí)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(jī)。在需要對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵時，首先使用工業(yè)控制計算機(jī)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(shí)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(jī)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(jìn)行比較，就可以計算出被測物體的運(yùn)動速度和位置，進(jìn)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(shí)現(xiàn)1.5MHz的測試帶寬，激光光斑最小直徑可以達(dá)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)在高溫300℃的環(huán)境下對微結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dá)微結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對筒式電阻加熱器加熱功率的智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微結(jié)構(gòu)溫度的準(zhǔn)確控制。
實(shí)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(jìn)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(biāo)參數(shù)
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本文實(shí)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》
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