MEMS 특성화 개론: 당신이 알아야 할 모든 것

오늘날 분명한 사실 중 하나는 장치가 점점 작아지고 있다는 것입니다. 당신이 깨닫지 못할 수도 있는 것은 장치들이 실제로 얼마나 작아지고 있는지입니다.

미세전자기계시스템(Microelectomechanical systems, MEMS)을 만나보십시오. MEMS이란 전기 및 기계 구성 요소를 모두 갖춘 작은 장치 또는 시스템입니다. 이러한 시스템의 크기는 수 마이크로미터에서 수 밀리미터에 이릅니다. 이러한 규모에서는 오류가 발생할 여지가 거의 없으므로 MEMS 특성화 및 테스트는 해당 시스템의 설계 프로세스에서 가장 중요한 단계 중 하나입니다. MEMS를 좀 더 세분화해 보겠습니다.

• 마이크로: 이 장치는 마이크로 규모에 있습니다.
• 전기: 이러한 장치에는 센서와 같은 전기 구성 요소가 포함되어 있습니다.
• 기계: 이 장치에는 액추에이터와 같은 기계 구성요소가 포함되어 있습니다.¹

MEMS 특성화를 수행하는 방법

두 개의 MEMS 장치가 동일한 방식으로 작동하도록 하는 것은 어렵습니다. 장치는 크기 때문에 테스트하기가 어렵고 성능 불일치가 일반적입니다. 이러한 현실로 인해 실행할 테스트와 실행 방법을 파악하는 것이 어려울 수 있습니다. MEMS 장치를 완전히 테스트하려면 성능, 안정성 및 기능을 평가해야 합니다. 시작해야 할 몇 가지 계측기와 MEMS 특성화를 수행할 때 고려해야 할 몇 가지 테스트를 살펴보겠습니다.

MEM 특성화에 필요한 장비

• 임의 파형 발생기 및 파형 발생기 테스트 중인 장치(DUT)에 대한 입력 신호를 생성합니다.
• 오실로스코프 및 스펙트럼 분석기 시간 및 진동수 영역에서 DUT의 출력을 측정합니다.
• 락인 증폭기 장치의 신호 대 잡음비(SNR)가 좋지 않은 경우 신호 정보를 추출합니다.
• 진동수 응답 분석기 진동수 응답 분석용
• 디지털 필터 박스 과도한 잡음 필터링/신호 프리엠퍼시스 
• PID 컨트롤러 피드백 제어 및 안정화용

실행할 테스트

응답 시간: 장치가 환경 변화에 얼마나 빨리 반응할 수 있는지 측정

필요한 도구: 파형 발생기, 오실로스코프

1. 입력을 변경하지 않고 장치 기준 출력을 설정합니다.
2. DUT에 스텝 입력 신호를 적용합니다.
   • 참고: 신호 유형은 DUT 유형에 따라 다릅니다. 다른 신호를 사용해도 됩니다.
3. 안정된 상태에 도달할 때까지 장치의 반응을 기록합니다.
4. 장치가 기준 상태에서 단계 입력의 응답으로 전환하는 데 걸린 시간 또는 최종 값의 10~90%를 측정합니다.
5. 다른 작동 조건에서 이 측정을 반복하십시오.

진동수 응답: 장치가 다양한 진동수에서 어떻게 작동하는지 측정합니다.

필요한 도구: 진동수 응답 분석기, 디지털 필터 박스

1. 설정 다중 기구 모드 디지털 필터 박스(필터링 및 증폭용) 및 진동수 응답 분석기로 구성됩니다.
2. 진동수 스윕을 수행하여 각 주파수에서 MEM 장치의 응답 진폭을 측정합니다. 다양한 진동수에서 장치에 의해 발생하는 위상 변화를 살펴보십시오.
3. MEMS 장치가 가장 높은 응답을 나타내는 공진 진동수를 식별합니다.
4. 장치의 작동 범위를 식별하기 위해 장치의 3dB 차단 진동수/대역폭을 계산합니다.
5. 왜곡과 비선형성을 확인합니다.
6. 다양한 환경 및 온도 조건에서 이 테스트를 수행하십시오.

MEMS 장치 교정

필요한 도구: 파형 발생기, 데이터 로거, 오실로스코프 or 스펙트럼 분석기

1. 신뢰할 수 있고 안정적인 소스를 사용하여 알려진 신호를 생성하십시오.
2. 알려진 신호에 대한 DUT의 응답을 측정합니다.
3. Data Logger를 사용하여 결과를 기록합니다.
4. 입력과 출력 사이의 관계 또는 교정 곡선을 설정합니다.
5. 이 곡선을 기반으로 보정 계수를 결정합니다. 이를 DUT에 적용하고 측정을 반복합니다.

노이즈 측정: DUT가 노이즈 레벨에 비해 강한 신호를 얼마나 잘 유지할 수 있는지 분석합니다.

필요한 도구: 임의 파형 발생기 or 파형 발생기, 스펙트럼 분석기, 오실로스코프

1. 입력 신호 없이 기본 노이즈 플로어를 기록합니다.
2. 알려진 안정적인 입력 신호를 적용합니다.
3. 스펙트럼 분석기에서 결과를 확인하세요.
   1. 신호의 진폭과 간섭/잡음을 측정합니다.
   2. 신호에서 멀리 떨어진 진동수 대역에서 잡음 전력 배경을 측정합니다.
   3. 다음을 사용하여 SNR(dB)을 계산합니다. , 시그널 파워 및 노이즈 파워는 와트(W)와 같은 전력 단위입니다.
      

MTBF(평균 고장 간격)를 측정하여 장치 신뢰성 측정

필요한 도구: 데이터 로거, 스펙트럼 분석기, 오실로스코프

1. 오류 이벤트에 포함되는 항목을 정의합니다: 하드웨어 오류 또는 소프트웨어 오류?
2. 정의된 기간 동안 장치를 작동하고 고장 횟수를 기록합니다.
3. 각 오류 유형에 대한 MTBF를 계산합니다.
4. 가장 의미 있는 데이터를 얻으려면 시간 경과에 따른 실패율을 주시하세요.

MEMS 장치의 예

MEMS 장치는 액추에이터부터 자동차까지 다양한 용례에서 중요합니다.

센서

• 스마트폰의 움직임을 감지하는 가속도계
• 이미지 안정화를 위해 카메라의 회전을 감지하는 자이로스코프

액추에이터

• 미세유체공학과 같이 움직임을 통해 전기 자극에 반응하는 작은 판막
• 카메라, 정밀 포지셔닝 시스템, 심지어 잉크젯 프린터 노즐의 자동 초점에 사용되는 압전 액추에이터

광학

• META(마이크로 전열 액추에이터)를 포함한 광 스위치 및 적응형 광학 장치의 마이크로 미러 및 마이크로 렌즈와 같은 광학 MEMS 장치 
• 광섬유 통신에서 광 신호의 강도를 조정하는 가변 광 감쇠기(VOA)
• LiDAR 또는 자유 공간 광통신(FSOC)에서 레이저 빔의 방향을 제어하는 ​​MEM 기반 빔 조정

생명 공학²

• 최소 침습적 약물 전달 및 바이오 센서를 위한 미세 바늘 어레이
• MEMS 기반 혈압 모니터와 같은 압력 감지
• 생물학적 조직의 고해상도 단면 영상을 제공하는 미세광학간섭단층촬영(μOCT)

자동차³

• 속도 변화를 측정하는 가속도계
• 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS)
• 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 자율주행차용 관성 측정 장치(IMU)

결론

MEMS 기술은 광학, 포토닉스, 생명공학 등을 포함한 다양한 산업 전반에 걸쳐 계속해서 확산되고 있습니다. 연구원들은 MEMS 장치의 매력적인 기능을 활용하여 이를 이전보다 더 작고 휴대 가능한 장치에 통합하고 있습니다. 이러한 장치는 여전히 등장하고 있으며 중요한 연구를 진행하고 있으므로 이를 개선할 수 있는 방법을 식별하려면 적절한 테스트와 특성화가 중요합니다.

최신 소프트웨어 정의 계측기는 MEMS 테스트를 위한 빠르고 유연한 솔루션을 제공합니다. 예를 들어, Oregon State University의 연구원들은 Moku 플랫폼을 사용하여 단일 장치에 엔드투엔드 프로토타입을 포함하는 저잡음 시스템을 설계하고 있습니다. 자세한 내용은 당사를 확인하세요. 사례 연구.

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[3] “MEMS automotive sensors drive the future of mobility,” Atomica, Jul. 29, 2020. https://atomica.com/mems-automotive-sensors-drive-the-future-of-mobility/#:~:text=These%20sensors%20are%20the%20dominant

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