介绍
微机电系统（MEMS）是体积虽小但功能强大的机器，尺寸通常在几微米到几毫米之间。这些微型“工作机器”能够在极小的尺度上感知、控制和操纵周围环境。研究人员将它们应用于各种领域，从传感器到执行器再到微流体。为了确保其可靠性，这些器件需要在各种环境下进行广泛的测试，例如真空测试、不同温度下的性能验证以及材料特性（如重量和刚度）的确认。这些不同的测试环境和参数对于研究人员来说难以实现或模拟。由副教授领导的研究团队致力于解决这一难题。 杰森克拉克 of 俄勒冈州立大学 已获得一项新的力反馈技术专利，该技术可以增加或减少 MEMS 设备的有效质量、阻尼或刚度。使用 Moku:Go 对于反馈控制，Jason 的团队正在努力展示测试陀螺仪等 MEMS 设备的新方法，以简化和增强 MEMS 设计。 Moku:Go （图 1）是同类产品中功能最丰富、价格最实惠的测试硬件。这款功能强大的基于 FPGA 的解决方案在单个设备中提供了 15 种以上的软件定义仪器，包括典型的工程工具，如 示波器 以及诸如 激光锁频/稳频器种类繁多的易用型仪器使研究人员能够在从光学实验室到工业研发设施等各种环境中更快地完成更多工作。用户可以无缝切换仪器，从而优化 Moku:Go 的使用体验，使其更好地完成手头的任务。 多仪器并行模式, 用户可以组合成对的仪器，比如 锁相放大器 和 PID 控制器, 与无损互连同时运行。
图 1：Moku:Go，一款紧凑的多功能设备，包括 12 种以上的软件定义工具
面临挑战
从历史上看，研究人员一直在努力让任何两个 MEMS 设备具有相同的行为。 他们曾尝试在真空中测试 MEMS 以获得更高的谐振频率，即使对于世界上最先进的实验室来说，这个过程也是极其昂贵且不切实际的。 像 Jason 和他的团队一样，许多公司和研究人员现在都在尝试抵消 MEMS 制造中导致性能不一致的工艺变化。 例如，一个晶圆上可能有许多 MEMS 器件（图 2）。 即使它们都旨在以 30 kHz 共振，但由于几何形状和材料特性的工艺变化，它们都不会成功地以所需频率共振。 在他们的开创性研究中，Jason 和他的团队正在使用 Moku:Go 和他们的力反馈技术来解决这些过程变化并迫使谐振器以所需频率谐振。
图 2：左图：研究人员应用力反馈技术之前的谐振器。右图：研究人员应用力反馈技术后的谐振器，达到了所需的谐振频率。
解决方案
Jason 的团队使用 Moku:Go PID 控制器作为反馈组件，努力证明他们可以操纵 10 美元的陀螺仪，使其表现得像 10,000 美元的陀螺仪。通常，高性能陀螺仪的成本会随着 Q 因子或品质因数的增加而增加（图 3）。然而，通过实施可重构的基于 FPGA 的反馈系统，该团队已经证明，他们不再需要依赖昂贵的测试环境（例如在真空中测试）来推进他们的研究。借助他们的力反馈技术，系统可以在空气中表现得像在真空中一样，从而可能节省数千美元。
图 3：常见陀螺仪型号的陀螺仪与品质因数
结果
得益于 Moku:Go 一流的性能，该团队可以创建自定义数字信号处理电路，从而在 MEMS 测试领域取得突破性发现。 通过使用来自 Moku:Go PID 控制器的非线性反馈，他们从廉价的陀螺仪中获得了前所未有的高 Q、大带宽谐振行为，如图 4 所示。
图 4：反馈前（蓝色）和反馈后（红色）的带宽与 Q 值