개요
미세전기기계 시스템(,Microelectromechanical Systems, MEMS)는 작지만 강력한 기계로, 일반적으로 크기가 수 마이크로미터에서 수 밀리미터에 이릅니다. 이 작은 일꾼은 매우 작은 규모로 환경을 감지, 제어 및 조작할 수 있습니다. 연구자들은 센서부터 액추에이터, 미세유체공학에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 이를 사용합니다. 신뢰성을 보장하기 위해 이러한 장치에는 진공 테스트, 다양한 온도에서의 성능 검증, 무게 및 강성과 같은 재료 특성 확인 등 다양한 환경에서 광범위한 테스트가 필요합니다. 이렇게 다양한 테스트 환경과 매개변수는 연구자가 달성하거나 시뮬레이션하기 어려울 수 있습니다.
준교수가 이끄는 연구진 제이슨 클라크 of 오레곤 주립 대학 MEMS 장치의 유효 질량, 감쇠 또는 강성을 증가 또는 감소시키는 새로운 힘 피드백 기술을 특허 받았습니다. Moku:Go 피드백 제어를 위해, 제이슨의 팀은 MEMS 설계를 간소화하고 향상시키기 위해 자이로스코프와 같은 MEMS 장치를 테스트하는 새로운 방법론을 시연하기 위해 노력하고 있습니다.
Moku:Go (그림 1)은 해당 클래스에서 가장 다재다능하고 저렴한 테스트 하드웨어입니다. 이 강력한 FPGA 기반 솔루션은 단일 장치에서 15개 이상의 소프트웨어 정의 계측기를 제공하며, 필수적인 엔지니어링 도구와 같은 오실로스코프 다음과 같은 고급 악기에 레이저 락 박스. 사용하기 쉬운 다양한 장비를 통해 연구자는 광학 실험실에서 산업 R&D 시설에 이르기까지 다양한 환경에서 더 많은 것을 더 빠르게 성취할 수 있습니다.
사용자는 기기 간을 원활하게 전환하여 Moku:Go를 현재 작업에 최적화할 수 있습니다. 그리고 다중 장비 모드, 사용자는 다음과 같은 악기 쌍을 결합할 수 있습니다. 락인 증폭기 및 PID 컨트롤러, 무손실 상호 연결과 동시에 실행됩니다.
그림 1: 12개 이상의 소프트웨어 정의 기기를 포함하는 소형 다용도 장치인 Moku:Go
난제
과거, 연구자들은 두 개의 MEMS 장치가 동일하게 작동하도록 동축화하는 데 어려움을 겪었습니다. 그들은 더 높은 공진 진동수를 달성하기 위해 진공 상태에서 MEMS 테스트를 시도했는데, 세계 유수의 최첨단 실험실에서조차도 이는 엄청난 고비용, 비현실적 프로세스입니다. Jason과 그의 팀과 마찬가지로 많은 기업과 연구자들은 이제 성능 불일치를 초래하는 MEMS 제조의 프로세스 변화에 대응하려고 시도하고 있습니다. 예를 들어, 웨이퍼에는 많은 MEMS 장치가 있을 수 있습니다(그림 2). 모두 30kHz에서 공진하도록 설계되어 있더라도 기하학 및 재료 특성의 공정 변화로 인해 원하는 진동수에서 성공적으로 공진할 수 없습니다. 선구적인 연구에서 Jason과 그의 팀은 Moku:Go와 포스 피드백 기술을 사용하여 이러한 프로세스 변화를 설명하고 공진기가 원하는 진동수에서 공진하도록 강제하고 있습니다.
그림 2 : 왼쪽: 연구원이 포스 피드백 기술을 적용하기 전의 공진기. 오른쪽: 연구자들이 포스 피드백 기술을 적용하여 원하는 공진 진동수를 달성한 후의 공진기
Moku:Go를 선택하기 전에 연구원들은 이 특허 기술을 만들기 위해 다른 솔루션을 고려했지만 다른 FPGA 도구는 예산이 부족하고 사용하기 직관적이지 않다는 것을 발견했습니다. 목표를 달성하기 위해 아날로그 구성 요소를 조정하고 회로를 설계하는 데 3년 이상을 소비하기도 했지만 광범위한 노이즈 문제에 직면하여 진행이 중단되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 장비를 구입하고 노이즈의 원인을 식별하기 위해 문제 해결에 상당한 시간을 투자한 후 팀은 디지털 계측기로 전환했습니다. Moku:Go는 신호를 디지털 방식으로 처리하여 모든 아날로그 소음을 효과적으로 제거하는 이상적인 솔루션을 제공했습니다.
해법
Jason의 팀은 Moku:Go PID 컨트롤러를 피드백 구성 요소로 사용하여 10달러짜리 자이로스코프를 10,000달러짜리 자이로스코프처럼 동작하도록 조작할 수 있다는 것을 증명하기 위해 노력하고 있습니다. 일반적으로 고성능 자이로스코프는 Q-팩터 또는 품질 팩터가 증가함에 따라 비용이 증가합니다(그림 3). 그러나 재구성 가능한 FPGA 기반 피드백 시스템을 구현함으로써 팀은 더 이상 진공 상태에서 테스트하는 것과 같은 값비싼 테스트 환경에 의존하여 연구를 진행할 필요가 없다는 것을 보여주었습니다. 강제 피드백 기술을 사용하면 시스템이 공기 중에서 진공 상태에서와 같이 동작하여 잠재적으로 수천 달러를 절약할 수 있습니다.
그림 3 : 인기 있는 자이로스코프 모델의 자이로스코프와 품질 계수 비교
Moku:Go의 다중 계측기 모드의 유연성을 활용하여 연구진은 먼저 록인 앰프(Lock-in Amplifier)가 원하는 주파수에 고정되도록 합니다. 그런 다음 피드백 제어를 위해 PID 컨트롤러를 원활하게 배치합니다. 그런 다음 Moku:Go 내에서 신호를 디지털 방식으로 처리하고 결과를 분석합니다. Jason과 그의 팀은 디지털 계측기를 활용하여 노이즈 문제를 해결했습니다. 또한 피드백 매개변수를 조정하고, 필터 코너 주파수를 변경하고, 내장 오실로스코프를 사용하여 문제를 해결함으로써 디지털 회로를 빠르고 쉽게 재구성할 수 있습니다.
“디지털 방식으로 전환하면서 Yingsong Han은 이 점에 대해 매우 기뻐합니다. 첫째, 노이즈가 훨씬 적고, 둘째, 변경이 쉽기 때문입니다.”라고 Jason은 자신이 멘토링 중인 대학원생이 Moku:Go를 사용하여 이룬 성공에 대해 말했습니다. “학생이 뭔가 바꾸고 싶어해도 다른 것을 살 필요가 없습니다. 가상으로 설정을 다시 실행할 수 있기 때문 입니다.”
결과
Moku:Go의 동급 최고 성능을 통해 팀은 맞춤형 디지털 신호 처리 회로를 생성하여 MEMS 테스트 분야에서 획기적인 발견을 이룰 수 있었습니다. Moku:Go PID 컨트롤러의 비선형 피드백을 사용하여 그림 4에서 볼 수 있듯이 저렴한 자이로스코프에서 전례 없는 높은 Q, 넓은 대역폭 공진 동작을 달성했습니다.
그림 4 : 대역폭 대 Q 피드백 전(파란색) 및 피드백 후(빨간색)
맺음말
Moku:Go를 통해 Jason과 그의 팀은 문제 해결을 최소화하면서 단일 장치에 포함된 엔드투엔드 프로토타입을 제공하는 저소음 시스템을 설계했습니다. 마이크로 전자 기계 시스템을 위한 비용 효율적이고 효율적인 테스트 환경을 개발함으로써 MEMS 연구 및 설계 분야를 크게 발전시켰습니다. Jason과 그의 팀이 계속해서 연구와 특허 받은 포스 피드백 기술을 테스트하고 최적화함에 따라 Moku:Go는 값비싼 장비를 추가로 사용하지 않고도 디자인 아이디어를 기반으로 프로토타입을 만드는 데에 도움이 될 것입니다.
에 대한 자세한 내용을 보려면 Moku:Go, 접촉 info@liquidinstruments.com.
Moku:Go를 통해 Clark 교수가 엔지니어링 교육을 어떻게 재정의하고 있는지 자세히 알아보려면 그의 과정을 확인하세요. Moku:Go로 미래를 자동화하세요, 또는 그의 독점 웹 세미나를 들어보세요 여기에서 확인하세요..
