소개와 도전
미세 전자 기계 시스템(MEMS) 가속도, 회전, 각속도 등을 감지하기 위해 실리콘의 전기적 및 기계적 특성을 활용하여 기계 및 전자 구조를 모두 통합합니다. MEMS 장치의 핵심 구성 요소는 MEMS 장치의 움직임에 수직으로 매달린 질량으로 구성되며 프레임 내에서 구동 방향으로 공진합니다. 그만큼 코리올리 가속도 회전 움직임에 의해 유발되는 회전 움직임은 감지 방향으로 프레임의 움직임을 측정하여 감지할 수 있습니다.
그림 1: 수평으로 움직일 수 있는 중앙 프레임에 질량이 매달려 있습니다. 질량은 위아래로 움직이며, 유도된 코리올리 힘의 크기와 방향은 프레임의 움직임을 측정하여 감지할 수 있습니다.
MEMS 장치는 일반적으로 장치 간 변형을 나타내므로 특성화 및 회전을 정확하게 측정하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. 이러한 장치를 특성화하고 사내에서 측정을 수행하려면 프로세스를 완료하기 위해 다양한 장비가 필요합니다. 예를 들어, 진동수 응답 분석기 공명 식별을 위한 위상 고정 루프(PLL), 공진 추적을 위한 PLL(위상 고정 루프), 진폭 안정화를 위한 PID 컨트롤러 및 락인 증폭기 움직임에 대한 장치의 반응을 측정합니다. 이 예에서 중국 남동 대학의 연구원들은 세 가지 독립적인 방법을 사용했습니다. 락인 증폭기 및 PID 컨트롤러, 내의 모든 것 Moku:Pro, MEMS 장치의 성능을 추적하고 안정화합니다.
Moku:Pro 체계적인 MEMS 제어 및 특성화를 위해 저잡음 입력을 갖춘 포괄적인 통합 솔루션을 제공합니다. 4개의 독립적인 기기 슬롯을 활용합니다. 다중 장비 모드 위에서 언급한 모든 필수 장비와 함께 다음과 같은 추가 강력한 장비를 포함하는 14개 이상의 테스트 장비 레이저 락 박스 레이저 주파수 안정화를 위한 위상 계측기 정밀한 위상 감지 측정을 위한 것입니다.
계통도
MEMS 장치를 정확하게 추적하고 안정화하기 위해 연구자들은 먼저 장치를 구동 모드(X)와 감지 모드(Y)의 두 부분으로 나눕니다. 이 두 부분은 각각 피드백 안정화 드라이브 신호 경로와 신호 감지 경로입니다. X 부분에는 자극 신호 입력(Drive signal)과 피드백 신호 출력(Feedback)이 있습니다. 자극 신호는 공진 주파수에서 장치를 구동하고 출력 신호의 진폭을 안정화하는 역할을 합니다. 장치에는 내부 자발적 구동 메커니즘이 없기 때문에 적절한 기능을 보장하려면 외부 자극 신호가 필요합니다. 드라이브 신호의 주파수와 공진기 주파수의 편차는 드라이브 신호와 피드백 신호의 위상차를 조사하여 모니터링할 수 있습니다. MEMS 장치의 위상 응답이 구동 주파수에 대해 단조롭다는 점을 고려하면 구동 주파수가 공진기 주파수와 정확히 일치하는 경우에만 90° 위상 변이를 달성합니다. 이 프로세스는 시스템 내에서 포괄적인 피드백 루프의 필요성을 강조합니다. 이 루프는 구동 신호의 주파수를 조절하여 구동 신호와 피드백 신호 사이의 90° 위상차를 유지함으로써 공진 주파수에서 안정화시킵니다. 믹서, 저역 통과 필터, 비례 적분(PI) 컨트롤러 및 전압 제어 발진기(VCO)로 구성된 폐쇄 루프 제어 시스템은 이미 PLL 모듈로 통합되어 있습니다. 이 통합 시스템은 Lock-in Amplifier, Laser Lock Box 및 Phasemeter와 같은 다양한 Moku 장비에 존재합니다.
공진 안정성을 보장하려면 피드백 신호 진폭 안정화를 구현하여 시스템 잡음과 온도 변화를 보상해야 합니다. 먼저 목표 입력 신호 진폭 𝑅을 설정한 다음 그림 2와 같이 Lock-in Amplifier가 출력 신호의 진폭을 측정합니다. 측정된 진폭과 𝑅의 차이는 피드백 PI 컨트롤러에 대한 오류 신호가 되어 구동 신호 진폭을 조정합니다. 장치의 출력을 안정화합니다.
그림 2: MEMS 시스템의 공명 추적 및 진폭 안정화에는 두 개의 제어 경로를 통해 피드백 신호를 라우팅하는 작업이 포함됩니다. VCO를 포함한 한 경로는 주파수 추적 전용입니다. 목표 진폭 𝑅을 특징으로 하는 다른 경로는 진폭 안정화에 중점을 둡니다. LPF는 저역 통과 필터, PI는 비례 적분 컨트롤러, VCO는 전압 제어 발진기를 나타냅니다.
실험
이 실험에서 그림 3은 Moku:Pro와 MEMS 장치 간의 연결을 보여줍니다. MEMS 장치의 X 입력 및 출력은 각각 Moku:Pro의 출력 1 및 입력 1에 연결되어 피드백 드라이브 제어 경로를 설정합니다. 슬롯 2의 잠금 증폭기는 피드백 신호의 진폭 A를 실시간으로 계산합니다. 그런 다음 이 진폭 A는 진폭 제어 신호를 생성하기 위해 슬롯 3의 PID 컨트롤러로 전송됩니다. X 경로의 입력과 출력 간의 고유한 90° 위상차를 고려하여 또 다른 위상 고정 루프(PLL_2)를 구성하여 PLL_90의 sin(Ωt) 신호에 1° 위상 편이를 도입하여 cos(Ωt)를 생성합니다. ) 단일 진폭의 신호. 그 후, 슬롯 4의 두 번째 잠금 증폭기 진폭 믹서는 PID 컨트롤러의 제어 신호로 cos(Ωt)를 변조하여 질량 공진 진폭 안정화를 위해 드라이브 신호의 진폭을 제어합니다.
Moku:Pro의 다중 악기 모드는 그림 3에 표시된 디자인에 따라 구성되며, Moku: 앱 구성 인터페이스 스크린샷은 그림 4에 나와 있습니다. 인접 슬롯과 신호 버스 간의 신호 경로는 디지털 방식으로, 지연을 최소화하고 추가 잡음을 발생시키지 않으면서 최적의 신호 품질을 보장합니다. 아날로그 입력은 In 1~4로, 아날로그 출력은 Out 1~4로 표시됩니다.
그림 3: MEMS 및 Moku:Pro 워크플로: 슬롯 2의 잠금 증폭기는 피드백 신호 진폭 A를 감지한 다음 슬롯 3의 PID 컨트롤러로 라우팅되어 제어 신호를 생성합니다. 그 후, 이 제어 신호는 슬롯 4의 잠금 증폭기에서 위상 고정 단위 진폭 신호와 혼합됩니다. 이 프로세스는 드라이브 신호의 진폭을 제어하여 MEMS 장치의 공진 질량의 진폭을 안정화합니다. 또한 슬롯 1에는 감지 신호의 응답을 모니터링하는 추가 잠금 증폭기가 있습니다.
그림 4: Moku:Pro 다중 악기 모드를 사용하여 그림 3의 디자인을 구현한 모습.
그림 5는 슬롯 2의 록인 증폭기(Lock-in Amplifier)가 극좌표 변환과 PLL 활성화를 통해 어떻게 설정되는지 보여줍니다. PLL은 3.479kHz 주파수에서 시작하고 100Hz의 추적 대역폭을 갖도록 설정되었습니다. In B와 Out B 신호는 동기화되어 있으며, 이는 PLL이 MEMS 공진을 정확하게 추적하고 있음을 나타냅니다. 록인 증폭기 내부의 저역 통과 필터를 200Hz 주파수에서 24dB/옥타브의 기울기로 구성하여 믹서 출력에서 고주파 성분인 sin(2ωt) 신호를 필터링합니다. 이 필터링 과정을 거친 후, 신호는 극좌표 변환을 거치며, 진폭 A는 PID 컨트롤러의 입력으로 사용되어 질량 공진 진폭 안정화 제어를 수행합니다.
그림 5: 록인 증폭기(슬롯 2) 설정: PLL 출력(파란색 선)과 PLL 입력(빨간색 선)은 동기화됩니다. In A는 피드백 신호 A sin(ωt)를 나타내고, Out A는 피드백 신호의 계산된 진폭 A를 나타내며, Out B는 진폭이 500 mVpp인 위상 동기 신호 sin(ωt)를 나타냅니다.
그림 6에서 슬롯 3의 PID 컨트롤러를 피드백 신호의 진폭 A와 목표값의 차이를 최소화하는 PI 컨트롤러로 구성했습니다. 입력 제어 행렬을 사용하여 입력 A 신호의 부호를 반전한 후, 입력 오프셋에서 목표값을 100.4mV로 지정하여 컨트롤러 모듈의 입력을 진폭 오차 신호로 만들었습니다. 그런 다음 온도 드리프트에 대한 저대역폭 제어를 보장하기 위해 적분기 교차 주파수를 3.125Hz로, 비례 이득을 -24dB로 설정했습니다. PID 컨트롤러를 작동시키기 전에 고정된 초기 진폭 값을 유지하기 위해 출력 오프셋을 200mV로 설정했습니다. 관찰된 바와 같이 진폭 A는 100.4mV에서 안정화되었습니다.
그림 6: PID 컨트롤러(슬롯 3)는 드라이브 신호의 진폭을 조정하여 피드백 신호의 진폭(A(파란색 선))을 안정화합니다. A는 슬롯 2의 록인 증폭기에서 계산된 진폭 A를 나타내며, 제어 행렬은 A의 부호를 반전시켜 음의 피드백 루프를 생성합니다. 입력 오프셋은 목표 신호 진폭으로 설정되며, 100.4mV로 설정됩니다. PID 컨트롤러는 3.125Hz 적분기 교차 주파수와 -24dB의 비례 이득을 갖는 PI 컨트롤러로 구성됩니다. 출력 오프셋은 초기 진폭 제어와 마찬가지로 200mV로 설정됩니다.
그림 7은 슬롯 4의 잠금 증폭기 구성을 보여줍니다. 이 잠금 증폭기의 PLL은 슬롯 2의 PLL과 동일한 초기 주파수 및 추적 대역폭으로 설정됩니다. 그러나 90° 위상 편이를 적용합니다. 드라이브 신호와 피드백 신호 사이의 위상 오프셋 보상을 달성하기 위해 슬롯 4의 PLL에 연결합니다.
그림 7의 A는 PID 컨트롤러의 진폭 제어 신호를 나타내며, 이 제어 신호는 PLL 출력 신호 cos(Ωt)의 진폭을 변경합니다. 코너 주파수가 5kHz인 저역통과 필터는 cos(Ωt)의 통과를 허용하고, Out A는 X 신호 경로에 연결되어 동위상 성분을 출력합니다. 그런 다음 Out A는 MEMS 드라이브 신호 입력 포트에 연결되는 Moku:Pro 아날로그 Out 1 포트에 연결됩니다.
그림 7: 잠금 증폭기(슬롯 4)는 In B 신호 sin(Ωt)를 90° 위상 이동하여 cos(Ωt) 신호를 생성하고 드라이브 신호와 피드백 신호 간의 위상차를 보상합니다. 이 재생성된 cos(Ωt)는 이후 질량 공진 진폭을 안정화하기 위해 진폭 변조됩니다.
이 단계에서 Moku:Pro는 예상 공진 주파수인 3.480kHz와 거의 일치하는 3.479kHz의 공진 주파수에서 프로브 A(빨간색)에 표시된 신호를 추적하여 MEMS 장치를 성공적으로 구동하고 안정화합니다. 또한 장치의 입력 Feedback 신호와 출력 Drive 신호 간의 90° 위상차도 정확하게 감지됩니다.
제품 개요
이 실험에서 Moku:Pro는 강력한 실시간 신호 처리 기능과 높은 유연성을 보여주었습니다. Moku:Pro는 다중 계측기 모드를 사용하여 장치를 구동하고, 세 개의 록인 증폭기(Lock-in Amplifier) 장치와 하나의 PID 컨트롤러를 통해 MEMS 장치 공진 주파수에서 안정적인 잠금(Lock)을 제공했습니다. 이 모든 장치는 단일 FPGA 기반 장치를 통해 동시에 구동되었습니다. 다중 계측기 모드의 록인 증폭기는 장치에서 측정을 수행하여 회전 자극에 대한 장치의 출력 응답을 완벽하게 반영했습니다. 전반적으로, 이는 Moku:Pro가 다음과 같은 솔루션으로서 타당성을 검증했습니다. MEMS 측정 및 제어.
Moku:Pro를 구성함으로써 장치의 완전한 구동과 개방 루프 신호 측정이 가능해졌습니다. 외부 하드웨어 믹서 또는 승수로 추가 Moku:Go와 결합된 Moku:Pro는 감지 축에서 힘-재균형 폐쇄 루프를 달성할 수 있는 잠재력도 있었습니다. 시중의 유사한 장비와 비교하여 Moku:Pro는 뛰어난 하드웨어 품질을 입증했을 뿐만 아니라 높은 유연성에 기반한 체계적인 솔루션을 제공했습니다.
MEMS 장치를 제공하고 테스트를 조정한 Xukai Ding 교수에게 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.
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