功率放大器在MEMS微結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：功率放大器在MEMS微結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試研究中的應(yīng)用

研究方向：元器件測(cè)試

測(cè)試目的：

隨著MEMS器件在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試獲得其動(dòng)態(tài)特性參數(shù)對(duì)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、仿真、制造、以及質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)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(duì)在高溫20~300℃環(huán)境下對(duì)單晶硅和304不銹鋼等截面矩形微懸臂梁進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，提出了基于空耦超聲激勵(lì)的方法，從理論分析、模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試三個(gè)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(cè)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(jì)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(yàn)過程：

基于空氣耦合超聲激勵(lì)方法對(duì)MEMS微結(jié)構(gòu)在常溫(20℃)~高溫(300℃)狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)測(cè)試的研究，通過在不同溫度下獲取被測(cè)微結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)，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(yàn)裝置之前，首先要了解并解決三個(gè)問題：對(duì)微結(jié)構(gòu)的激振；對(duì)微結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量；高溫環(huán)境的實(shí)現(xiàn)。

圖：測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖

根據(jù)以上對(duì)搭建實(shí)驗(yàn)裝置之前三個(gè)問題的分析，可知，基于空氣耦合超聲激勵(lì)對(duì)MEMS微結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)測(cè)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(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)；采用激光多普勒測(cè)振儀裝置檢測(cè)微結(jié)構(gòu)在高溫下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；采用電阻加熱的方法創(chuàng)造高溫環(huán)境。測(cè)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(lì)單元、激光多普勒測(cè)振單元。

空氣耦合超聲激勵(lì)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(hào)的雙通道的高壓信號(hào)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(dòng)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(hào)發(fā)生器配套使用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完美放大；還包括模擬量輸出板卡和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。在需要對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，首先使用工業(yè)控制計(jì)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(hào)(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(hào)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(dòng)信號(hào)在ATA-2042功率放大器中放大到峰-峰值400V后驅(qū)動(dòng)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(dòng)。在0~140kHz范圍內(nèi)依次改變調(diào)制頻率Δf去激勵(lì)微結(jié)構(gòu)，使得激光多普勒測(cè)振儀能夠獲取微結(jié)構(gòu)在每個(gè)差頻Δf下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)差頻Δf與微結(jié)構(gòu)固有頻率一致時(shí)，微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諧振。

圖：基于空氣耦合超聲激勵(lì)的MEMS模態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置

激光多普勒測(cè)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(jì)算機(jī)組成。振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)的原理為由OFV-512光學(xué)頭發(fā)射的激光束聚焦在被測(cè)物體上，反射光的頻率和相位發(fā)生改變，從被測(cè)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(jì)算出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度和位置，進(jìn)而獲得微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。如上圖所示，振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1.5MHz的測(cè)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(dòng)響應(yīng)信號(hào)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(jì)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(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。

溫度控制單元包括Pt100鉑電阻溫度傳感器、ADAM3013信號(hào)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(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，四個(gè)筒式電阻加熱器被均勻安裝在黃銅安裝板四個(gè)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(duì)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(cè)微結(jié)構(gòu)當(dāng)前的溫度，將采集到的溫度信號(hào)通過ADAM3013信號(hào)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)筒式電阻加熱器加熱功率的智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微結(jié)構(gòu)溫度的準(zhǔn)確控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

建立了高溫環(huán)境微結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)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(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì)；采用激光多普勒測(cè)振儀裝置檢測(cè)微結(jié)構(gòu)在高溫下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)；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(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《基于空耦超聲激勵(lì)的MEMS微結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試方法研究》