介绍
微机电系统 (MEMS) 是微小但功能强大的机器，通常尺寸从几微米到几毫米不等。 这些微小的主力可以在非常小的范围内感知、控制和操纵它们的环境。 研究人员将它们用于一系列应用，从传感器到执行器再到微流体。 为确保其可靠性，这些设备需要在各种环境中进行大量测试，例如在真空中测试、验证不同温度下的性能以及确认材料特性（如重量和刚度）。 研究人员可能难以实现或模拟这些不同的测试环境和参数。
由俄勒冈州立大学副教授 Jason Clark 领导的一组研究人员获得了一项新的力反馈技术专利，该技术可以增加或减少 MEMS 设备的有效质量、阻尼或刚度。 Jason 的团队使用 Moku:Go 进行反馈控制，致力于展示测试陀螺仪等 MEMS 设备的新方法，以简化和增强 MEMS 设计。
Moku:Go （图 1）是同类产品中用途最广、价格最实惠的测试硬件。 这种基于 FPGA 的强大解决方案在单个设备中提供 14 种以上的软件定义仪器，从示波器等典型工程工具到 Laser Lock Box 等高级仪器。 范围广泛的易于使用的仪器使研究人员能够在从光学实验室到行业研发设施的各种环境中更快地取得更多成果。
用户可以在仪器之间无缝切换以优化他们的 Moku：转到手头的任务。 与 多仪器模式, 用户可以组合成对的乐器，比如 锁相放大器 和 PID 控制器, 与无损互连同时运行。
图 1：Moku:Go，一款紧凑的多功能设备，包括 12 种以上的软件定义工具
挑战
从历史上看，研究人员一直在努力让任何两个 MEMS 设备具有相同的行为。 他们曾尝试在真空中测试 MEMS 以获得更高的谐振频率，即使对于世界上最先进的实验室来说，这个过程也是极其昂贵且不切实际的。 像 Jason 和他的团队一样，许多公司和研究人员现在都在尝试抵消 MEMS 制造中导致性能不一致的工艺变化。 例如，一个晶圆上可能有许多 MEMS 器件（图 2）。 即使它们都旨在以 30 kHz 共振，但由于几何形状和材料特性的工艺变化，它们都不会成功地以所需频率共振。 在他们的开创性研究中，Jason 和他的团队正在使用 Moku:Go 和他们的力反馈技术来解决这些过程变化并迫使谐振器以所需频率谐振。
图2： 左图：研究人员应用力反馈技术之前的谐振器。 右图：研究人员应用力反馈技术后的谐振器，实现了所需的谐振频率
在选择 Moku:Go 之前，研究人员考虑了其他解决方案来创建这项专利技术，但他们发现其他 FPGA 工具超出预算且使用起来不直观。 此外，该团队花了三年多的时间调整模拟元件和设计电路以实现他们的目标，但遇到了广泛的噪声问题，阻碍了进展。 在购买了各种设备试图解决这个问题并花费大量时间进行故障排除以识别噪声源后，该团队转向了数字仪器。 Moku:Go 提供了一个理想的解决方案，通过对信号进行数字处理有效地消除了所有模拟噪声。
解决方案
使用 Moku:Go PID 控制器作为反馈组件，Jason 的团队正在努力证明他们可以操纵一个 10 美元的陀螺仪，使其表现得像一个 10,000 美元的陀螺仪。 通常，高性能陀螺仪的成本会随着 Q 因数或品质因数的增加而增加（图 3）。 然而，通过实施基于 FPGA 的可重构反馈系统，该团队表明他们不再需要依赖昂贵的测试环境（例如真空测试）来推进他们的研究。 借助他们的力反馈技术，系统可以像在真空中一样在空气中运行，从而有可能节省数千美元。
图3： 陀螺仪与流行陀螺仪型号的品质因数
利用 Moku:Go 多仪器模式的灵活性，研究人员首先使锁定放大器锁定到所需频率。 然后，他们无缝部署 PID 控制器进行反馈控制。 然后，研究人员以数字方式处理信号并分析结果，所有这些都在 Moku:Go 中完成。 通过使用数字仪器，Jason 和他的团队消除了噪音问题。 他们还可以通过调整反馈参数、更改滤波器角频率以及使用嵌入式示波器进行故障排除来快速轻松地重新配置数字电路。
“走向数字化，Yingsong Han 对此感到非常高兴，因为第一，他的噪音会低得多，第二，它很容易改变，”Jason 谈到他的研究生使用 Moku:Go 取得的成功时说。 “如果他想改变什么，我们就不必购买任何新东西。 他几乎可以重做设置。”
结果
得益于 Moku:Go 一流的性能，该团队可以创建自定义数字信号处理电路，从而在 MEMS 测试领域取得突破性发现。 通过使用来自 Moku:Go PID 控制器的非线性反馈，他们从廉价的陀螺仪中获得了前所未有的高 Q、大带宽谐振行为，如图 4 所示。
图4： 反馈前（蓝色）和反馈后（红色）的带宽与 Q
结论
借助 Moku:Go，Jason 和他的团队设计了一个低噪音系统，该系统提供包含在单个设备中的端到端原型，所有这些都只需要最少的故障排除。 通过为微机电系统开发经济高效的测试环境，他们显着推进了 MEMS 研究和设计领域。 随着 Jason 和他的团队继续测试和优化他们的研究和获得专利的力反馈技术，Moku:Go 将帮助他们将设计从想法转变为原型，而无需任何额外的昂贵仪器。
要了解更多有关 Moku:Go， 联系 info@liquidinstruments.com.
要详细了解 Clark 教授如何使用 Moku:Go 重新定义工程教育，请阅读他的课程， 使用 Moku:Go 实现未来自动化，或收听他的独家网络研讨会 此处.
