概要

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難しい場合があります。

オレゴン州立大学のジェイソン・クラーク准教授が率いる研究チームは、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た。 Jason のチームは、フィードバック制御に Moku:Go を使用して、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、このクラスで最も多用途で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、オシロスコープのような典型的なエンジニアリングツールからレーザーロックボックスのような高度な計測器まで、14以上のソフトウェア定義計測器を単一のデバイスで提供します。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 & 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

歴史的に、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のに苦労してきました。彼らは、より高い共振周波数を達成するために真空中でMEMSをテストしようとしましたが、このプロセスは信じられないほど高価であり、世界の最先端の研究所でも非現実的です。ジェイソン氏と彼のチームと同様に、多くの企業や研究者は現在、パフォーマンスのばらつきを引き起こす MEMS 製造におけるプロセスの変動に対処しようと試みています。たとえば、ウェハ上には多数の MEMS デバイスが存在する場合があります (図 30)。たとえそれらがすべて XNUMX kHz 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変動により、どれも所望の周波数で正常に共振することはありません。先駆的な研究において、ジェイソンと彼のチームは、Moku:Go とそのフォース フィードバック テクノロジーを使用して、これらのプロセス変動を考慮し、共振器を強制的に所望の周波数で共振させています。 

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 を選択する前に、研究者らはこの特許取得済みのテクノロジを作成するための他のソリューションを検討しましたが、他の FPGA ツールは予算不足で、直感的に使用できないことがわかりました。さらに、チームは目標を達成するためにアナログ コンポーネントの調整と回路設計に 3 年以上を費やしましたが、広範なノイズの問題に遭遇し、進歩が止まりました。この問題を解決するためにさまざまな機器を購入し、ノイズの原因を特定するために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、信号をデジタル処理することですべてのアナログ ノイズを効果的に除去する、理想的なソリューションを提供しました。

ソリューション

ジェイソン氏のチームは、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、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できることを証明するために取り組んでいます。一般に、高性能ジャイロスコープは、Q ファクター (品質係数) が増加するにつれてコストも増加します (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中でのテストなどの高価なテスト環境に依存する必要がなくなったことを示しました。彼らのフォース フィードバック技術を使用すると、システムは空気中でも真空中と同様に動作し、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

研究者らは、Moku:Go のマルチ機器モードの柔軟性を利用して、まずロックイン アンプを希望の周波数にロックできるようにしました。次に、フィードバック制御用の PID コントローラーをシームレスに展開します。その後、研究者たちは信号をデジタル処理し、その結果をすべて Moku:Go 内で分析します。デジタル計測器を利用することで、ジェイソンと彼のチームは騒音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 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により、デジタル回路を迅速かつ簡単に再構成することもできます。

「デジタル化により、Yingsong Han 氏はこれに非常に満足しています。1 つは、ノイズがはるかに低くなり、2 つ目は、変更が簡単だからです」と大学院生の Jason 氏は Moku:Go を使用した成功について語った。 「彼が何かを変えたいと思ったら、新しいものを買う必要はありません。彼はバーチャル上でセットアップをやり直すことができるのです。」

結果

Moku:Go のクラス最高のパフォーマンスのおかげで、チームはカスタムのデジタル信号処理回路を作成でき、MEMS テスト分野で画期的な発見につながりました。 Moku:Go PID コントローラーからの非線形フィードバックを使用することで、図 4 に示すように、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

まとめ

Moku:Go を使用して、ジェイソンと彼のチームは、最小限のトラブルシューティングで、単一のデバイスに含まれるエンドツーエンドのプロトタイプを提供する低ノイズ 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向けのコスト効率が高く、非常に効率的なテスト環境を開発することにより、MEMS の研究と設計分野を大幅に進歩させました。ジェイソン氏と彼のチームは、研究と特許取得済みのフォース フィードバック テクノロジーのテストと最適化を続けており、Moku:Go は、高価な機器を追加することなく、デザインをアイデアからプロトタイプに変換するのに役立ちます。

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りたい場合は、彼のコースについてお読みください。 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.