イントロダクション
微小電気機械システム (MEMS) は、通常は数マイクロメートルから数ミリメートルのサイズの、非常に小さいですが強力な機械です。これらの小さな主力動物は、非常に小さな規模で環境を感知し、制御し、操作することができます。研究者は、センサーからアクチュエーター、マイクロ流体工学に至るまで、さまざまな用途にそれらを使用しています。信頼性を確保するために、これらのデバイスは、真空中でのテスト、さまざまな温度での性能の検証、重量や剛性などの材料特性の確認など、さまざまな環境で広範なテストを必要とします。これらのさまざまなテスト環境とパラメータは、研究者にとって達成またはシミュレーションが困難な場合があります。
准教授が率いる研究チーム ジェイソン・クラーク of オレゴン州立大学 MEMSデバイスの有効質量、減衰、剛性を増減させる新しいフォースフィードバック技術の特許を取得しました。 Moku:Go フィードバック制御については、ジェイソンのチームは、ジャイロスコープなどの MEMS デバイスをテストして MEMS 設計を合理化し強化するための新しい方法論を実証することに取り組んでいます。
Moku:Go (図1)は、このクラスで最も汎用性が高く、手頃な価格のテストハードウェアです。この強力なFPGAベースのソリューションは、15つのデバイスでXNUMX以上のソフトウェア定義の計測器を提供します。 オシロスコープ 高度な機器に レーザーロックボックス。使いやすい機器を幅広く取り揃えているため、研究者は光学研究所から産業の研究開発施設に至るまで、より多くの成果をより迅速に得ることができます。
ユーザーは機器をシームレスに切り替えて、目の前のタスクに合わせて Moku:Go を最適化できます。そして、 マルチインストゥルメントモード、ユーザーは次のように楽器のペアを組み合わせることができます。 ロックインアンプ の三脚と PIDコントローラー、ロスレス相互接続と同時に実行します。
図 1: Moku:Go、12 個以上のソフトウェア定義計測器を含むコンパクトで多用途なデバイス
課題
これまで研究者たちは、２つのMEMSデバイスを同じように動作させることに苦労してきました。より高い共振周波数を得るために真空中でMEMSをテストしようとしましたが、このプロセスは非常に高価で、世界最先端の研究所でさえ実用的ではありません。Jason Clark准教授が率いる研究チームのように、現在、多くの企業や研究者が、性能の不一致につながるMEMS製造におけるプロセスのばらつきに対抗しようとしています。例えば、ウェハー上に多数のMEMSデバイスが存在する場合があります（図２）。たとえそれらがすべて３０kHzで共振するように意図されていたとしても、形状や材料特性のプロセスばらつきのために、希望の周波数でうまく共振するものはありません。Jason Clark准教授が率いる研究チームは、Moku:Goとそのフォースフィードバック・テクノロジーを使って、このようなプロセスのばらつきを考慮し、共振器を目的の周波数で共振させるという先駆的な研究を行っています。
図2： 左: 研究者がフォースフィードバック技術を適用する前の共振器。右: 研究者がフォースフィードバック技術を適用し、望ましい共振周波数を達成した後の共振器
Moku:Goを選択する前、研究者たちはこの特許技術を開発するために他のソリューションも検討しましたが、他のFPGAツールは予算オーバーで直感的に使えないことが判明しました。さらに、研究チームは３年以上かけてアナログ部品を調整し、目標を達成するための回路を設計しましたが、広範なノイズの問題に直面し、進展が止まってしまいました。この問題を解決するために様々な機器を購入し、ノイズの原因を特定するためのトラブルシューティングに多大な時間を費やした後、チームはデジタル計測器に目を向けました。Moku:Goは理想的なソリューションを提供し、信号をデジタル処理することでアナログノイズを効果的に除去しました。
ソリューション
Moku:Go PID コントローラーをフィードバック コンポーネントとして使用して、Jason のチームは、10 ドルのジャイロスコープを操作して 10,000 ドルのジャイロスコープのように動作させることができることを証明しようとしています。通常、高性能ジャイロスコープは Q 係数 (品質係数) が増加するとコストが増加します (図 3)。しかし、再構成可能な FPGA ベースのフィードバック システムを実装することで、チームは研究を進めるために真空でのテストなどの高価なテスト環境に頼る必要がなくなったことを実証しました。フォース フィードバック技術により、システムは空気中でも真空中と同じように動作できるため、数千ドルを節約できる可能性があります。
図3： ジャイロスコープと一般的なジャイロスコープモデルの品質係数
Moku:Goのマルチ計測器モードの柔軟性を活用し、研究者たちはまずロックインアンプを所望の周波数にロックさせます。次に、フィードバック制御用のPIDコントローラをシームレスに導入します。そして、Moku:Go内で信号をデジタル処理し、結果を分析します。デジタル計測器を活用することで、ジェイソン氏と彼のチームはノイズの問題を解決しました。また、フィードバックパラメータの調整、フィルタのコーナー周波数の変更、内蔵オシロスコープを使用したトラブルシューティングなどにより、デジタル回路を迅速かつ容易に再構成できます。
「デジタル化したことで、ノイズがずっと少なくなり、変更が簡単になったことで、Yingsong Hanは本当に喜んでいます。」と、Jason Clark准教授はMoku:Goを使った大学院生の成功について語っています。「変更を希望したとしても、新たに何かを買う必要はありません。仮想的にセットアップをやり直せばいいだけです。」
結果
Moku:Goのクラス最高の性能のおかげで、チームはカスタムのデジタル信号処理回路を作成することができ、MEMSテストの分野で画期的な発見につながりました。Moku:Go PIDコントローラからの非線形フィードバックを使用することで、図４に見られるように、安価なジャイロスコープから前例のない高Q、広帯域幅の共振動作を実現しました。
図4： フィードバック前 (青) とフィードバック後 (赤) の帯域幅と Q
結論
Moku:Goにより、Jason Clark准教授が率いる研究チームはは、トラブルシューティングを最小限に抑えながら、エンドツーエンドのプロトタイプを１つのデバイスに収めた低ノイズシステムを設計しました。マイクロエレクトロメカニカル・システム用の費用対効果が高く、非常に効率的なテスト環境を開発することで、MEMSの研究・設計分野を大きく前進させることができました。Jason Clark准教授が率いる研究チームは、研究と特許取得済みのフォースフィードバック技術のテストと最適化を続けており、Moku:Goは、高価な計測器を追加することなく、彼らの設計をアイデアからプロトタイプに変えるのに役立ちます。
の詳細については Moku:Go、連絡 info@liquidinstruments.com.
クラーク教授がMoku:Goでエンジニアリング教育をどのように再定義しているかについて詳しく知るには、彼のコースをご覧ください。 Moku:Go で未来を自動化する、または彼の独占ウェビナーを聞いてください こちら.
