功率放大器在MEMS微结构模态测试研究中的应用

实验名称：功率放大器在MEMS微结构模态测试研究中的应用

研究方向：元器件测试

测试目的：

随着MEMS器件在各个领域中广泛应用，对微结构进行模态测试获得其动态特性参数对微结构的设计、仿真、制造、以及质量控制和评价等方面具有十分重要的意义。考虑到微结构具有尺寸小、固有频率高、振幅小等特点，且应用于不同环境中，因此，本文针对在高温20~300℃环境下对单晶硅和304不锈钢等截面矩形微悬臂梁进行模态测试，提出了基于空耦超声激励的方法，从理论分析、模拟仿真和实验测试三个方面研究了微悬臂梁固有频率与温度之间的变化关系。

测试设备：ATA-2042功率放大器、超声探头、模拟量输出板卡、工业控制计算机、控制器、数据采集卡、铂电阻温度传感器、数字温控仪表等。

实验过程：

基于空气耦合超声激励方法对MEMS微结构在常温(20℃)~高温(300℃)状态下进行模态测试的研究，通过在不同温度下获取被测微结构的振动信号，来分析微结构的固有频率与温度之间的关系。在搭建实验装置之前，首先要了解并解决三个问题：对微结构的激振；对微结构振动信号的测量；高温环境的实现。

图：测试系统的总体框图

根据以上对搭建实验装置之前三个问题的分析，可知，基于空气耦合超声激励对MEMS微结构进行模态测试的技术方案为：采用基于空气耦合超声聚焦换能器装置发射的超声波对微结构进行激励；采用激光多普勒测振仪装置检测微结构在高温下的振动响应信号；采用电阻加热的方法创造高温环境。测试系统的总体框图如上图所示，主要包括温度控制单元、空气耦合超声激励单元、激光多普勒测振单元。

空气耦合超声激励单元主要包括点聚焦空气耦合超声探头，该探头的带宽为140kHz，焦距为38mm，焦点区域直径为2mm，具有350kHz的额定功率，且探头的有效直径为13mm，点聚焦有较小的光束轮廓，焦距更长，可提供更大的分辨率和更高的能量强度；包括安泰Aigtek公司的ATA-2042功率放大器，它是一款可放大交直流信号的双通道的高压信号放大器，最大输出功率为400Vp-p(±200Vp)，最大输出电流100mAp，带宽为（-3dB）DC~500kHz，压摆率≥445V/μs，可以驱动高压型负载，电压增益数控可调，一键保存常用设置，提供了方便简洁的操作选择，可与主流的信号发生器配套使用，实现信号的完美放大；还包括模拟量输出板卡和工业控制计算机。在需要对微结构进行激励时，首先使用工业控制计算机中Labview编写任意波形发生器产生载波频率为fc=350kHz的双边带抑制载波调幅信号(DSB-SC-AM)，其调制频率Δf可在0~140kHz范围内任意选取，该信号输入PCI-1721-AE模拟量输出板卡中，模拟量经过模拟通道输出进入ATA-2042功率放大器中，驱动信号在ATA-2042功率放大器中放大到峰-峰值400V后驱动点聚焦空气耦合超声探头发射两束频率差为Δf的超声波，两束超声波被聚焦到微结构表面形成干涉，使得微结构以差频Δf进行振动。在0~140kHz范围内依次改变调制频率Δf去激励微结构，使得激光多普勒测振仪能够获取微结构在每个差频Δf下的振动响应信号，当差频Δf与微结构固有频率一致时，微结构产生谐振。

图：基于空气耦合超声激励的MEMS模态测试实验装置

激光多普勒测振单元主要由OFV-3001控制器、OFV-512光学头，PCI-1712UL-AE数据采集卡和IPC-610L工业控制计算机组成。振动信号检测的原理为由OFV-512光学头发射的激光束聚焦在被测物体上，反射光的频率和相位发生改变，从被测物体上反射回来并耦合传到传感器头中的干涉仪中，与内部参考光束的相位和频率进行比较，就可以计算出被测物体的运动速度和位置，进而获得微结构的动态特性参数。如上图所示，振动测试系统可以实现1.5MHz的测试带宽，激光光斑最小直径可以达到15μm。微结构的振动响应信号由OFV-512光学头拾取，传输到OFV-3001控制器中的速度解码器中进行解码，再经过PCI-1712UL-AE数据采集卡送入到IPC-610L工业控制计算机当中，最终由Laview编写的数据采集程序对微结构的振动响应信号进行分析和存储。

温度控制单元包括Pt100铂电阻温度传感器、ADAM3013信号调理模块、E5AZ-C3MT型数字温控仪表、JKH-D1可控硅触发器、BTA06双向可控硅和筒式电阻加热器。为了实现在高温300℃的环境下对微结构进行测试，四个筒式电阻加热器被均匀安装在黄铜安装板四个侧壁的安装孔内，筒式电阻加热器产生的热量，通过热传导的方式一层一层的到达微结构，实现对微结构的加热；然后用温度的采集范围为-200℃～+850℃的Pt100铂电阻温度传感器来检测微结构当前的温度，将采集到的温度信号通过ADAM3013信号调理模块送入到E5AZ-C3MT型数字温控仪表中，经过与设定所需的温度值进行比较，通过JKH-D1可控硅触发器来控制BTA06双向可控硅的导通时间，实现对筒式电阻加热器加热功率的智能控制，进而实现对微结构温度的准确控制。

实验结果：

建立了高温环境微结构模态测试系统：采用基于空气耦合超声聚焦换能器装置发射的超声波对微结构进行激励；采用激光多普勒测振仪装置检测微结构在高温下的振动响应信号；采用电阻加热的方法创造高温环境。

安泰ATA-2042功率放大器：

图：ATA-2042功率放大器指标参数

本文实验素材由西安安泰电子整理发布。Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免费试用。

审核编辑黄宇