實(shi)驗名稱(cheng)：功(gong)率放(fang)大器在MEMS微結構模態測試研究中的應用

　　研(yan)究方向：元器件測(ce)試(shi)

　　測試目的：

　　隨著MEMS器件在各個領域中廣泛應用，對微結構進行模態測試獲得其動態特性參數對微結構的設計、仿真、制造、以及質量控制和評價等方面具有十分重要的意義。考慮到微結構具有尺寸小、固有頻率高、振幅小等特點，且應用于不同環境中，因此，本文針對在高溫20~300℃環境下對單晶硅和304不銹鋼等截面矩形微懸臂梁進行模態測試，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系。

　　測試設備：ATA-2042功率放大器、超聲探頭、模擬量輸出板卡、工業控制計算機、控制器、數據采集卡、鉑電阻溫度傳感器、數字溫控儀表等。

　　實驗(yan)過程(cheng)：

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

圖：測試系統(tong)的(de)總體框圖

　　根據以上對搭建實(shi)驗裝置之前三個問(wen)題的分(fen)析，可(ke)知(zhi)，基于空氣耦合超(chao)聲激勵對MEMS微結構進行模態測試的技術方案為：采用基于空氣耦合超聲聚焦換能器裝置發射的超聲波對微結構進行激勵；采用激光多普勒測振儀裝置檢測微結構在高溫下的振動響應信號；采用電阻加熱的方法創造高溫環境。測試系統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(kong)氣耦合(he)超聲激勵單元主要包括點(dian)聚(ju)焦(jiao)空(kong)氣耦合(he)超聲探(tan)頭(tou)，該探(tan)頭(tou)的帶寬(kuan)為140kHz，焦距為38mm，焦點區域直徑為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(gong)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，可以驅動高壓型負載，電壓增益數控可調，一鍵保存常用設置，提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發生器配套使用，實現信號的完美放大；還包括模擬量輸出板卡和工業控制計算機。在需要對微結構進行激勵時，首先使用工業控制計算機中Labview編寫任意波形發生器產生載波頻率為fc=350kHz的雙邊帶抑制載波調幅信號(DSB-SC-AM)，其調制頻率Δf可在0~140kHz范圍內任意選取，該信號輸入PCI-1721-AE模擬量輸出板卡中，模擬量經過模擬通道輸出進入ATA-2042功率放大器中，驅動信號在ATA-2042功率放大器中放大到峰-峰值400V后驅動點聚焦空氣耦合超聲探頭發射兩束頻率差為Δf的超聲波，兩束超聲波被聚焦到微結構表面形成干涉，使得微結構以差頻Δf進行振動。在0~140kHz范圍內依次改變調制頻率Δf去激勵微結構，使得激光多普勒測振儀能夠獲取微結構在每個差頻Δf下的振動響應信號，當差頻Δf與微結構固有頻率一致時，微結構產生諧振。

圖：基于空氣耦(ou)合(he)超聲(sheng)激勵的MEMS模態測試實驗裝置

　　激(ji)光多普勒測振單元主要由OFV-3001控制器、OFV-512光學頭，PCI-1712UL-AE數(shu)(shu)據采(cai)集(ji)卡(ka)和(he)(he)IPC-610L工業控(kong)制計(ji)(ji)算(suan)機組成。振(zhen)動(dong)(dong)信號檢測(ce)的(de)(de)原理為由OFV-512光(guang)(guang)(guang)(guang)學頭(tou)(tou)發射(she)的(de)(de)激光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)聚(ju)焦在被測(ce)物(wu)(wu)體上，反射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)頻率和(he)(he)相(xiang)位(wei)發生改變，從(cong)被測(ce)物(wu)(wu)體上反射(she)回來并耦合傳到傳感(gan)器(qi)頭(tou)(tou)中的(de)(de)干涉儀中，與(yu)內(nei)部(bu)參考光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)的(de)(de)相(xiang)位(wei)和(he)(he)頻率進(jin)行(xing)比較，就(jiu)可以計(ji)(ji)算(suan)出(chu)被測(ce)物(wu)(wu)體的(de)(de)運動(dong)(dong)速度(du)和(he)(he)位(wei)置，進(jin)而獲得微(wei)結(jie)構(gou)的(de)(de)動(dong)(dong)態特(te)性參數(shu)(shu)。如上圖所示，振(zhen)動(dong)(dong)測(ce)試系統可以實現1.5MHz的(de)(de)測(ce)試帶寬，激光(guang)(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)(guang)斑最小直徑可以達到15μm。微(wei)結(jie)構(gou)的(de)(de)振(zhen)動(dong)(dong)響應信號由OFV-512光(guang)(guang)(guang)(guang)學頭(tou)(tou)拾取(qu)，傳輸到OFV-3001控(kong)制器(qi)中的(de)(de)速度(du)解(jie)碼器(qi)中進(jin)行(xing)解(jie)碼，再經(jing)過PCI-1712UL-AE數(shu)(shu)據采(cai)集(ji)卡(ka)送(song)入到IPC-610L工業控(kong)制計(ji)(ji)算(suan)機當(dang)中，最終由Laview編寫的(de)(de)數(shu)(shu)據采(cai)集(ji)程(cheng)序對微(wei)結(jie)構(gou)的(de)(de)振(zhen)動(dong)(dong)響應信號進(jin)行(xing)分(fen)析和(he)(he)存儲(chu)。

　　溫度控(kong)制單元包(bao)括Pt100鉑電阻溫度傳感器、ADAM3013信號調理模塊、E5AZ-C3MT型數字溫控儀表、JKH-D1可控硅觸發器、BTA06雙向可控硅和筒式電阻加熱器。為了實現在高溫300℃的環境下對微結構進行測試，四個筒式電阻加熱器被均勻安裝在黃銅安裝板四個側壁的安裝孔內，筒式電阻加熱器產生的熱量，通過熱傳導的方式一層一層的到達微結構，實現對微結構的加熱；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構當前的溫度，將采集到的溫度信號通過ADAM3013信號調理模塊送入到E5AZ-C3MT型數字溫控儀表中，經過與設定所需的溫度值進行比較，通過JKH-D1可控硅觸發器來控制BTA06雙向可控硅的導通時間，實現對筒式電阻加熱器加熱功率的智能控制，進而實現對微結構溫度的準確控制。

　　實驗(yan)結果：

　　建立了(le)高溫(wen)環境微(wei)結(jie)構(gou)模(mo)態測(ce)試系統：采用基于(yu)空氣耦合超聲聚(ju)焦換能器裝(zhuang)置發射的超聲波對(dui)微(wei)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)激勵；采用激光多普勒(le)測(ce)振儀裝(zhuang)置檢測(ce)微(wei)結(jie)構(gou)在高溫(wen)下的振動響應信(xin)號；采用電阻加(jia)熱的方法(fa)創造高溫(wen)環境。

　　安泰ATA-2042高壓放大器：

圖：ATA-2042功率放大器指標參數

　　本文實驗(yan)素(su)材由西安安泰電子整理發(fa)布。西安(an)(an)安(an)(an)泰電子是專業(ye)從事(shi)功率放大器、高壓(ya)放大器、功率(lv)信號源、前置微小信號放大器、高精度(du)電壓(ya)源(yuan)、高精度電流源等電子測量儀器研發、生產和銷售的高科技(ji)企業。公司致(zhi)力于功率放(fang)大器(qi)、功率信號源、計量校(xiao)準源等產(chan)(chan)品為核心的相(xiang)關行業測試解決方案的研究，為用戶提供(gong)具有(you)競爭力的測試方案，Aigtek已經(jing)成為在業界擁(yong)有(you)廣(guang)泛產(chan)(chan)品線，且具有(you)相(xiang)當規模的儀器(qi)設備供(gong)應商，樣機都支持免費(fei)試用。如想了(le)解更多(duo)功率放(fang)大器(qi)等產(chan)(chan)品，請持續關注安泰(tai)電子(zi)官(guan)網hkdyw.cn或撥打029-88865020。

　　本文(wen)實驗案(an)例參考自知網論文(wen)《基于空耦超(chao)聲激勵的MEMS微結構模態測試方法研究》