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MEMS-기반 센서

관련 제품 : UHFLI , HF2LI , MFLI , MFIA

응용기술 설명

Sensor characterization with Zurich Instruments' devices

관성 및 환경 센서를 포함한 많은 센싱 디바이스(sensing devices)는 MEMS (micro-electromechanical systems) 기술 덕분에 소형화되고 최소 전력 소비로 작동할 수 있습니다. 보드를 설계하는 것에서 센서 구현에 이르기까지 MEMS 구조에 대한 동작 특성화는 필수단계입니다. ASIC (Application-specific analog circuitry)은 이러한 목적으로 개발되는 경우가 많지만, 이러한 접근 방식은 반복적인 센서 개발 프로세스를 번거롭고 시간 소모적으로 만듭니다. 따라서 MEMS 장치에 대한 빠르고 포괄적인 특성화 방법이 필수적이라고 할 수 있습니다.

측정 전략

센서의 동작을 완전히 이해하려면, 드라이브 신호 또는 센싱 환경 변화의 함수로 MEMS 구조의 응답을 연구해야 합니다. 광범위한 파라미터를 포괄하려면 아래에 설명된 몇가지 측정이 필요합니다.

주파수 응답 분석(Frequency response analysis)은 센서의 성능을 극대화하기 위한 최적의 드라이브 신호를 찾는데 필수적입니다. 이를 통해 센서의 공진(resonance) 및 사이드밴드도 특성화 할 수 있습니다. 그런 다음 파라메트릭 스위퍼(parametric sweeper)를 사용하여 드라이브 매개변수를 변경하여 백본 측정을 수행할 수 있습니다. 또는 파라메트릭 공진을 사용할 수 있습니다. 센서 주파수 응답의 빠른 변화를 모니터링하기 위해 chirp FFT는 높은 스펙트럼 및 시간 분해능을 제공합니다.

이 그림은 LabOne Sweeper 도구를 사용하여 센서의 공진을 특성화하는 방법을 보여줍니다.

Frequency Sweep with LabOne

스텝 응답 측정(Step response measurements)은 구동신호의 변경 또는 환경 요인 변경에 따른 센서의 동작을 측정합니다. 이러한 시간 분해 측정은 damping 및 quality factor와 같은 센서의 구조적 특성을 파악합니다.

Damping이 서로 다른 MEMS 구조는 이 링다운(ring-down) 측정에 표시된 것처럼 여러 디모듈레이터(multiple demodulators)를 사용하여 동시에 모니터링할 수 있습니다.

Ring-down measurement with LabOne

임피던스 분석(Impedance analysis)은 MEMS 장치의 변환기 구조를 특성화하는데 사용됩니다. 임피던스는 구조뿐만 아니라 드라이브 신호 및 환경 조건에 따라 달라집니다. 따라서 정확한 측정이 필수적입니다.

MFIA 임피던스 분석기 또는 MFLI 락인앰플리파이어 의 MF-IA 옵션이 제공하는 높은 수직 정밀도 및 시간 분해능은 센서의 캐패시턴스(주황색 곡선)와 저항(청록색 곡선)에 대한 환경의 급격한 변화의 영향을 정량화할 수 있도록 합니다.

Impedance analysis with the MFIA or the MF-IA option for the MFLI

폐쇄 루프 센서 제어(Closed-loop sensor control)는 센서를 최적의 상태로 유지하도록 합니다. 이는 위상 고정 루프 (phase-locked loop - PLL)로 센서의 위상을 잠그거나 PID (Proportional-integrative-derivative) 컨트롤러를 사용하여 진폭과 같은 다른 매개 변수를 잠그면 가능합니다. 이러한 유형의 잠금(locking) 방식은 또한 측정 대역폭을 크게 증가시킵니다.

이 그림에 표시된 시간 트레이스는 자동 이득 제어(automatic gain control)가 PLL (파란색) 및 PID (주황색)를 클로징하여 센서를 안정화하는 방법을 보여줍니다.

Closed-loop sensor control visualized in LabOne

취리히인스트루먼트의 이점

  • 위에서 논의한 모든 측정 전략은 취리히인스트루먼트(Zurich Instruments)는 ASIC 개발이 필요하지 않습니다. MEMS 센서 애플리케이션에 대한 올인원 접근 방식을 활용하십시오.
  • 단일 계측기에서 여러 디모듈레이터와 오실레이터를 사용하여, 여러 공진을 동시에 추적하고 제어합니다.
  • 취리히인스트루먼트의 아날로그 전자 장치는 여러 입력 단계를 제공하여, 입력 잡음을 최소화하고 주기적 신호에 대한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 최대화합니다.
  • 데이터 수집 모듈 (data acquisition module - DAQ)을 사용하면 포함된 LabOne 소프트웨어 와 Python, C, MATLAB® , LabVIEW™ 및 .NET 용 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스 덕분에 측정 워크플로우를 자동화 할 수 있습니다.
  • USB 또는 GbE 연결을 통한 빠른 디지털 데이터 전송을 통해 추가 디지타이저카드없이 측정 결과를 기록할 수 있습니다.

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동영상

센서 특성화 및 제어 웨비나

Zurich Instruments Webinar - Sensor Characterization and Control

Application Notes

Zurich Instruments

Control of MEMS Coriolis Vibratory Gyroscopes

Publications

Cazier, N., Sadeghi, P., Chien, M.-H., Shawrav, M.M. & Schmid, S.

Spectrally broadband electro-optic modulation with nanoelectromechanical string resonators

Opt. Express 28, 12294–12301 (2020)

Bhattacharya, S. & Li, S.

A Fully Differential SOI-MEMS Thermal Piezoresistive Ring Oscillator in Liquid Environment Intended for Mass Sensing

IEEE Sensors Journal 19, 7261-7268 (2019)

Pandit, M., Zhao, C., Sobreviela, G., Zou, X. & Seshia, A.

A High Resolution Differential Mode-Localized MEMS Accelerometer

Journal of Microelectromechanical Systems 28, 782-789 (2019)

Setiono, A. et al.

Phase optimization of thermally actuated piezoresistive resonant MEMS cantilever sensors

J. Sens. Sens. Syst. 8, 37–48 (2019)

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