Аппаратное обеспечение исследований емкостным методом резонансных характеристик микроэлектромеханических структур

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621.3. 084. 2
Вареник Ю. А., Мочалова И. А., Печерская Е. А., Печерская Р. М.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЕМКОСТНЫМ МЕТОДОМ РЕЗОНАНСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР
Микроэлектромеханические устройства (МЭМС) нашли свое применение в различных областях техники, таких как бытовая техника, транспорт, беспроводная связь, коммуникации и т. д. [1,2]. Помимо традиционного изготовления актюаторов и микродатчиков особое внимание привлекают механические компоненты и системы, выполненные в интеграции или микросборке на подложке для того, чтобы получить различные функциональные элементы, например МЭМС-реле, МЭМС-конденсаторы и т. д., основанные как правило на использовании нано- и микрокантилеверов [3], структур с подвижной системой, которая в процессе использования совершает механические колебания.
Существуют различные методы исследования отклонения подвижной системы МЭМС, имеющие определенную специфику в том или ином параметре, таком как чувствительность, надежность, простота исследования и многом другом. Отдельный интерес вызывает емкостной метод для исследования резонансных характеристик кантилеверных МЭМС. Сложность метода заключается в определении абсолютной оценки перемещения по малой ёмкости МЭМС, однако при исследовании механического резонанса подвижной системы информативным является относительное изменение амплитуды колебания, вследствие чего данный метод будет выгодным относительно других методов исследования кантилеверных МЭМС, ввиду его меньшей аппаратной сложности по сравнению с традиционно используемым оптическим методом.
Для реализации получения резонансной характеристики МЭМС емкостным методом применена схема на основе резонансного контура (рисунок 1) [4].
Рисунок 1 — Схема для получения резонансной характеристики МЭМС
Емкость МЭМС подключается параллельно емкости резонансного контура и резонансное напряжение снимается с индуктивности, детектируется и усиливается логарифмическим усилителем. Отклонение подвижной системы МЭМС вызывается управляющим напряжением в диапазоне частот 0.1 МГц, возбуждение колебательного контура осуществляется малым тест-сигналом с частотой 50 МГц. Фильтром схемы выделяется составляющая напряжения с частотой тест-сигнала, амплитуда которой будет зависеть от ёмкости МЭМС.
Измеритель состоит из двух основных модулей, размещаемых на раме контактного устройства предметного столика микроскопа (Рисунок 2). С генератора воздействий напряжения управления мембраной МЭМС и ВЧ-тест сигнала (генераторы ГУ и ГВЧ соответственно) подаются на нижнюю обкладку мембранной МЭМС. Переменный ток снимается с верхней обкладки и попадает на входной колебательный контур ВК контрольно-измерительного блока (рисунок 3). Выходное напряжение ВК проходит через ВЧ-буфер БУФ, полосовой фильтр ПФ и ВЧ-детектор ДВЧ на вход логарифмического усилителя УЛГ.
Рисунок 2 — Структурная схема измерителя резонансных характеристик МЭМС
Выходное напряжение УЛГ меняется с частотой управляющего напряжения исследуемой МЭМС, поэтому для получения амплитуды этого напряжения используется НЧ-детектор ДНЧ, выходное напряжение которого поступает на вход АЦП микроконтроллера МК. Управление режимами измерения происходит с помощью программного обеспечения посредством персонального компьютера ПК через интерфейс RS-485 с гальванической развязкой. Преобразование сигналов RS-485 в интерфейс UART МК осуществляется преобразователем интерфейса ПИ. Питание всей системы организовано стабилизатором напряжения СТ. С помощью стабилизатора напряжения СТГ выходным напряжением ЦАП МК задаётся напряжение питания генератора воздействий. Преобразователь ПРП осуществляет гальваническую развязку вторичных цепей ПИ.
1- контакты электропитания
2- схема питания
3- регулятор чувствительности
4- микроконтроллер
5- стабилизатор питания генератора
6- входной усилитель
7- контакты подключения МЭМС
8- преобразователь напряжения
9- полосовой фильтр
10- логарифмический усилитель и детектор
11- разъём программирования микроконтроллера
12- интерфейс RS-485 с гальванической развязкой
13- источник питания RS-485
14- контакты RS-485
Рисунок 3 — Внешний вид контрольно-измерительного блока
Диапазон измеряемых емкостей МЭМС данной установкой составляет от 0,05пФ до 10пФ. Малые габариты модулей разработанной установки позволяют размещать их непосредственно в вакуумной камере на приспособлении, осуществляющем контакт с образцом МЭМС. Такое решение снижает погрешности измерения, вызываемые паразитными параметрами измерительных кабелей, за счёт малой длины цепей подключения объекта измерения. Применение подобной установки для исследования резонансных характеристик кантилеверных МЭМС позволяет проводить измерения в широком диапазоне частот управляющего напряжения, а также обладает меньшей аппаратной сложностью, чем реализация оптического метода.
ЛИТЕРАТУРА
1. Джичко О. Б. ОСОБЕННОСТИ ВНЕДРЕНИЯ ИННОВАЦИОННЫХ (СЕРВИС — ОРИЕНТИРОВАННЫХ) ТЕХНОЛОГИЙ НА ПРОИЗВОДСТВЕ / Джичко О. Б., Бушмелева К. И. // Труды международного симпозиума & quot-Надежность и качество& quot- Т.2 — Пенза: ПДЗ, 2008. — C. 305 — 306.
2. Галеев И. Х. ИННОВАЦИИ В ИНФОРМАЦИОННОМ ОБЕСПЕЧЕНИИ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ B УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННО-КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ / Галеев И. Х., Абуталипова Л. Н., Иванов В. Г. // Труды международного симпозиума & quot-Надежность и качество& quot- Т.1 — Пенза: ПДЗ, 2008. — C. 107−108.
3. Уваров И. В. Резонансные свойства многослойных металлических нанокантилеверов. // Уваров И. В., Наумов В. В., Амиров И. И. / Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике: сборник трудов 3-ей Международной научно-технической конференции. Зеленоград, Изд-во МИЭТ 2012. — С. 36−38.
4. Вареник Ю. А. Средства исследования резонансных характеристик нано- и микроэлектромеханиче-ских систем / Вареник Ю. А., Мочалова И. А., Уваров И. В. // Университетское образование: сб. тр. XVII Международной научно-методической конференции. — Пенза: ПДЗ, 2013. — C. 96−97.
5. Галий C. Н. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЗОНАНСНОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ ЗАДАЧ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ / Галий C. Н., Доля В. К. // ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ПОВОЛЖСКИЙ РЕГИОН. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. — Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования & quot-Пензенский государственный университет& quot-, — № 3, — 2012. -С. 62−70.
6. Байдаров С. Ю. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ / Байдаров С. Ю., Бутаев М. М., Куроедов С. К., Светлов А. В. // ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ПОВОЛЖСКИЙ РЕГИОН. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. -Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования & quot-Пензенский государственный университет& quot-, — № 1, — 2012. — С. 105−115.

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой