實驗名稱：功率放大器在MEMS微結構模態測試研究中的應用

研究方向：元器件測試

測試目的：

隨著MEMS器件在各個領域中廣泛應用，對微結構進行模態測試獲得其動態特性參數對微結構的設計、仿真、制造、以及質量控制和評價等方面具有十分重要的意義。考慮到微結構具有尺寸小、固有頻率高、振幅小等特點，且應用于不同環境中，因此，本文針對在高溫20~300℃環境下對單晶硅和304不銹鋼等截面矩形微懸臂梁進行模態測試，提出了基于空耦超聲激勵的方法，從理論分析、模擬仿真和實驗測試三個方面研究了微懸臂梁固有頻率與溫度之間的變化關系。

測試設備：ATA-2042功率放大器、超聲探頭、模擬量輸出板卡、工業控制計算機、控制器、數據采集卡、鉑電阻溫度傳感器、數字溫控儀表等。

實驗過程：

基于空氣耦合超聲激勵方法對MEMS微結構在常溫(20℃)~高溫(300℃)狀態下進行模態測試的研究，通過在不同溫度下獲取被測微結構的振動信號，來分析微結構的固有頻率與溫度之間的關系。在搭建實驗裝置之前，首先要了解并解決三個問題：對微結構的激振；對微結構振動信號的測量；高溫環境的實現。

圖：測試系統的總體框圖

根據以上對搭建實驗裝置之前三個問題的分析，可知，基于空氣耦合超聲激勵對MEMS微結構進行模態測試的技術方案為：采用基于空氣耦合超聲聚焦換能器裝置發射的超聲波對微結構進行激勵；采用激光多普勒測振儀裝置檢測微結構在高溫下的振動響應信號；采用電阻加熱的方法創造高溫環境。測試系統的總體框圖如上圖所示，主要包括溫度控制單元、空氣耦合超聲激勵單元、激光多普勒測振單元。

空氣耦合超聲激勵單元主要包括點聚焦空氣耦合超聲探頭，該探頭的帶寬為140kHz，焦距為38mm，焦點區域直徑為2mm，具有350kHz的額定功率，且探頭的有效直徑為13mm，點聚焦有較小的光束輪廓，焦距更長，可提供更大的分辨率和更高的能量強度；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號的雙通道的高壓信號放大器，最大輸出功率為400Vp-p(±200Vp)，最大輸出電流100mAp，帶寬為（-3dB）DC~500kHz，壓擺率≥445V/μs，可以驅動高壓型負載，電壓增益數控可調，一鍵保存常用設置，提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發生器配套使用，實現信號的完美放大；還包括模擬量輸出板卡和工業控制計算機。在需要對微結構進行激勵時，首先使用工業控制計算機中Labview編寫任意波形發生器產生載波頻率為fc=350kHz的雙邊帶抑制載波調幅信號(DSB-SC-AM)，其調制頻率Δf可在0~140kHz范圍內任意選取，該信號輸入PCI-1721-AE模擬量輸出板卡中，模擬量經過模擬通道輸出進入ATA-2042功率放大器中，驅動信號在ATA-2042功率放大器中放大到峰-峰值400V后驅動點聚焦空氣耦合超聲探頭發射兩束頻率差為Δf的超聲波，兩束超聲波被聚焦到微結構表面形成干涉，使得微結構以差頻Δf進行振動。在0~140kHz范圍內依次改變調制頻率Δf去激勵微結構，使得激光多普勒測振儀能夠獲取微結構在每個差頻Δf下的振動響應信號，當差頻Δf與微結構固有頻率一致時，微結構產生諧振。

圖：基于空氣耦合超聲激勵的MEMS模態測試實驗裝置

激光多普勒測振單元主要由OFV-3001控制器、OFV-512光學頭，PCI-1712UL-AE數據采集卡和IPC-610L工業控制計算機組成。振動信號檢測的原理為由OFV-512光學頭發射的激光束聚焦在被測物體上，反射光的頻率和相位發生改變，從被測物體上反射回來并耦合傳到傳感器頭中的干涉儀中，與內部參考光束的相位和頻率進行比較，就可以計算出被測物體的運動速度和位置，進而獲得微結構的動態特性參數。如上圖所示，振動測試系統可以實現1.5MHz的測試帶寬，激光光斑最小直徑可以達到15μm。微結構的振動響應信號由OFV-512光學頭拾取，傳輸到OFV-3001控制器中的速度解碼器中進行解碼，再經過PCI-1712UL-AE數據采集卡送入到IPC-610L工業控制計算機當中，最終由Laview編寫的數據采集程序對微結構的振動響應信號進行分析和存儲。

溫度控制單元包括Pt100鉑電阻溫度傳感器、ADAM3013信號調理模塊、E5AZ-C3MT型數字溫控儀表、JKH-D1可控硅觸發器、BTA06雙向可控硅和筒式電阻加熱器。為了實現在高溫300℃的環境下對微結構進行測試，四個筒式電阻加熱器被均勻安裝在黃銅安裝板四個側壁的安裝孔內，筒式電阻加熱器產生的熱量，通過熱傳導的方式一層一層的到達微結構，實現對微結構的加熱；然后用溫度的采集范圍為-200℃～+850℃的Pt100鉑電阻溫度傳感器來檢測微結構當前的溫度，將采集到的溫度信號通過ADAM3013信號調理模塊送入到E5AZ-C3MT型數字溫控儀表中，經過與設定所需的溫度值進行比較，通過JKH-D1可控硅觸發器來控制BTA06雙向可控硅的導通時間，實現對筒式電阻加熱器加熱功率的智能控制，進而實現對微結構溫度的準確控制。

實驗結果：

建立了高溫環境微結構模態測試系統：采用基于空氣耦合超聲聚焦換能器裝置發射的超聲波對微結構進行激勵；采用激光多普勒測振儀裝置檢測微結構在高溫下的振動響應信號；采用電阻加熱的方法創造高溫環境。

安泰ATA-2042功率放大器：

圖：ATA-2042功率放大器指標參數

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。

審核編輯黃宇