개요

MEMS(Microelectromechanical Systems)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.

오레곤 주립 대학의 Jason Clark 부교수가 이끄는 연구팀은 MEMS 장치의 유효 질량, 감쇠 또는 강성을 높이거나 낮추는 새로운 힘 피드백 기술에 대한 특허를 취득했습니다. 피드백 제어를 위해 Moku:Go를 사용하여 Jason의 팀은 자이로스코프와 같은 MEMS 장치를 테스트하여 MEMS 설계를 간소화하고 향상시키는 새로운 방법론을 시연하기 위해 노력하고 있습니다.

Moku:Go (그림 1)은 동급 제품 중 가장 다양하고 저렴한 테스트 하드웨어입니다. 이 강력한 FPGA 기반 솔루션은 오실로스코프와 같은 전형적인 엔지니어링 도구부터 Laser Lock Box와 같은 고급 계측기에 이르기까지 단일 장치에 14개 이상의 소프트웨어 정의 계측기를 제공합니다. 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 와 PID 컨트롤러, 무손실 상호 연결과 동시에 실행됩니다.

그림 1: 12개 이상의 소프트웨어 정의 기기를 포함하는 소형 다용도 장치인 Moku:Go

난제

역사적으로 연구자들은 두 개의 MEMS 장치가 동일하게 작동하도록 동축화하는 데 어려움을 겪었습니다. 그들은 더 높은 공진 주파수를 달성하기 위해 진공 상태에서 MEMS 테스트를 시도했는데, 이는 세계에서 가장 진보된 실험실에서도 엄청나게 비용이 많이 들고 비현실적인 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 주파수에서 성공적으로 공진할 수 없습니다. 선구적인 연구에서 Jason과 그의 팀은 Moku:Go와 포스 피드백 기술을 사용하여 이러한 프로세스 변화를 설명하고 공진기가 원하는 주파수에서 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. 또한 팀은 목표를 달성하기 위해 아날로그 구성 요소를 조정하고 회로를 설계하는 데 3년 이상을 소비했지만 광범위한 소음 문제에 직면하여 진행이 중단되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 장비를 구입하고 소음의 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

Moku:Go PID 컨트롤러를 피드백 구성 요소로 사용하여 Jason의 팀은 $10 자이로스코프를 $10,000 자이로스코프처럼 작동하도록 조작할 수 있음을 증명하기 위해 노력하고 있습니다. 일반적으로 고성능 자이로스코프는 Q 인자, 즉 품질 인자가 증가함에 따라 비용도 증가합니다(그림 3). 그러나 재구성 가능한 FPGA 기반 피드백 시스템을 구현함으로써 팀은 연구를 발전시키기 위해 더 이상 진공 테스트와 같은 값비싼 테스트 환경에 의존할 필요가 없다는 것을 보여주었습니다. 포스 피드백 기술을 사용하면 시스템이 진공에서와 마찬가지로 공기에서도 작동하여 잠재적으로 수천 달러를 절약할 수 있습니다.

그림 3 : 인기 있는 자이로스코프 모델의 자이로스코프와 품질 계수 비교

Moku:Go에 대한 다중 장비 모드의 유연성을 사용하여 연구원은 먼저 잠금 증폭기를 원하는 주파수에 고정할 수 있습니다. 그런 다음 피드백 제어를 위해 PID 컨트롤러를 원활하게 배포합니다. 그런 다음 연구원들은 Moku:Go 내에서 신호를 디지털 방식으로 처리하고 결과를 분석합니다. Jason과 그의 팀은 디지털 계측을 활용하여 소음 문제를 해결했습니다. 또한 피드백 매개변수 조정, 필터 코너 주파수 변경, 내장 오실로스코프를 사용한 문제 해결을 통해 디지털 회로를 빠르고 쉽게 재구성할 수 있습니다.

“디지털 방식으로 전환하면서 Yingsong Han은 이 점에 대해 매우 기뻐합니다. 첫째, 소음이 훨씬 적고, 둘째, 변경이 쉽기 때문입니다.”라고 Jason은 대학원생이 Moku:Go를 사용한 성공에 대해 말했습니다. “그가 뭔가를 바꾸고 싶다면 우리는 새로운 것을 살 필요가 없습니다. 그는 가상으로 설정을 다시 실행할 수 있습니다.”

결과

Moku:Go의 동급 최고의 성능 덕분에 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)

결론

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 그들의 디자인을 아이디어에서 프로토타입으로 변환하는 데 도움이 될 것입니다.

에 대한 자세한 내용을 보려면 Moku:Go, 접촉 info@liquidinstruments.com.

Clark 교수가 Moku:Go를 통해 공학 교육을 어떻게 재정의하고 있는지 자세히 알아보려면 그의 과정을 읽어보세요. Moku:Go로 미래를 자동화하세요, 또는 그의 독점 웹 세미나를 들어보세요 여기에서 지금 확인해 보세요..