MEMS傳感器應用介紹

MEMS傳感器應用介紹

微機電系統 (MEMS) 技術發展迅速，慣性感測器、環境感測器等許多傳感設備得以實現小型化，並以最小功耗運行。

應用簡介

從感測器的設計到實現，在這整個過程中，一個重要步驟是 MEMS 結構行為的表徵。我們通常會為此開發專用積體電路 (ASIC)，但這種方式會使得反覆運算感測器的開發過程變得繁瑣且耗時。因此，有必要為 MEMS 器件找到一種快速、全面的表徵方法。
 

測量策略

為全面瞭解感測器的行為，有必要研究 MEMS 結構在驅動信號影響下或因感應環境變化而產生的響應。為覆蓋廣泛的參數範圍，需要進行以下幾項測量。

1. 頻率回應分析: 這是一項至關重要的測量。這用於尋找最佳驅動信號，以最大程度發揮感測器的性能。同時也有助於實現感測器的共振和邊帶表徵。主流的測量方式要求掃描驅動信號的參數，這可由參數掃描器實現。另外，也可以使用參數諧振的方式監測感測器諧振頻率的快速變化。啁啾信號的FFT能提供高的頻譜解析度和時間解析度。

下圖展示了如何使用 LabOne 掃描器工具來進行感測器共振的表徵。

2. 階躍回應測量: 此測試可反映感測器因驅動信號或環境因素變化而發生的行為。這些時間分辨測量可以揭示感測器的阻尼、品質因數等結構特性。

通過使用多個解調器，可以同時監測不同阻尼的 MEMS 結構，如下圖所示的振鈴測量實驗。
 

3. 阻抗分析: 阻抗常被用於 MEMS 器件換能器結構的表徵：阻抗不僅取決於結構，還由驅動信號和環境條件決定。因此，準確的測量至關重要。

MFIA 阻抗分析儀或 MFLI 鎖相放大器的 MF-IA 選件提供高垂直精度和時間解析度測量，使得環境快速變化對感測器電容（下圖橙色曲線）和電阻（下圖藍綠色曲線）的影響得以量化。

4. 閉環感測器控制: 閉環控制使得感測器保持其最佳狀態。其實現方式是，利用鎖相環 (PLL) 鎖定感測器相位，或者利用比例積分微分 (PID) 控制器鎖定其他參數（如幅度）。此類鎖定方案也會顯著增加測量頻寬。

本圖中顯示的時間軌跡記錄了自動增益控制如何通過閉環 PLL（下圖藍色軌跡）和 PID（下圖橙色軌跡）來穩定感測器。
 

選擇Zurich Instruments的優勢
 

1. 上述所有測量方案都可以使用Zurich Instruments的鎖相放大器來實施和測試，因此無需進行頗為耗時的 ASIC 開發：充分利用一體化方案來服務您的 MEMS 感測器應用。
 

2. 可在單台儀器中利用多個解調器和振盪器來同時跟蹤、控制若干共振。
 

3. Zurich Instruments的類比電路提供多個輸入量程，以最大限度減少輸入雜訊並提高週期性信號的信噪比。
 

4. 在資料獲取模組 (DAQ) 的支援下，借助儀器配套的 LabOne 軟體及其支援 Python、C 語言、MATLAB®、LabVIEW™ 和 .NET 的應用程式設計發展介面，可實現測量流程的自動化。
 

5. 通過 USB 或 1 GbE 連接實現快速的數位資料傳輸，讓您可以輕鬆記錄測量結果，而無需額外的數位轉換卡。