[實用新型]亞微牛頓級力測量裝置

無效

• 申請號: 200720013927.4
• 申請日: 2007-08-22
• 公開（公告）號: CN201096557Y
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 于鵬;董再勵;繆磊;劉連慶;劉意楊;王光宏
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01L1/16
• 分類號: G01L1/16
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司
• 代理人: 許宗富;周秀梅

技術領域

本實用新型涉及基于PVDF(Polyvinylidene?fluoride，聚偏二氟乙烯)壓電材料的微牛頓力測量技術。具體地說是亞微牛頓級力的測量裝置，主要用于微納米尺度加工、裝配等技術領域。

技術背景

微納米操作是機器人/自動化領域新興的研究方向，它為物理、化學、生物、機構與微機電系統、先進制造等領域提供了新的加工制造控制與實驗研究方法。研究表明，隨著操作尺度的微小化，操作工具與加工對象的越來越微小化，任何微小作用力的變化都會引起工具、對象等狀態的較大變化，因而傳統宏觀條件下位置/力反饋加工制造技術受到了制約。典型如WMD光通訊網系統采用的MEMS光學開關部件，其主要功能部件微鏡片在微牛頓力作用下即可破碎。由于目前無法實現微鏡片的微力控制操作，因而裝配效率很低；基于納米材料的納米器件制造是微加工裝配涉及的一個重要應用領域，納米材料如CNT在微電極陣列上的定量、定向、定位裝配已成為目前CNT基納米器件亟待解決的關鍵問題，這需要微接觸力的感知與反饋控制來實現納米器件的自動化裝配；再者，目前基于MEMS和LIGA技術研制的微納米部件，也亟需采用基于力反饋控制的微鑷裝配方法來實現微機電系統裝配操作。隨著微納操控技術的發展，寬動態微牛級力傳感檢測技術正在成為新的科研與應用的熱點，因而研究高靈敏度的微力傳感檢測技術對實現微納器件的高效率自動化制造，促進微納科學技術發展和應用具有重要意義。亞微牛頓接觸力的測量目前尚未見報道。

實用新型內容

為解決微裝配過程中的亞微牛頓接觸力測量問題，本實用新型的目的在于提供一種亞微牛頓力測量裝置。

本實用新型技術方案包括如下：由微力感知測量頭，信號調理電路和數據采集模塊構成，其中微力感知測量頭接受來自探針的微作用力，將力信號變為電荷后送至信號調理電路，信號調理電路將其轉換成合適大小并能檢測的電壓信號輸出至數據采集模塊，數據采集模塊把獲得的電壓信號經過A/D轉換后，利用已標定微作用力與信號調理電路輸出電壓之間的關系，將所述電壓值換算為微力數值；

所述微力感知測量頭采用基于PVDF壓電材料的微力感知測量頭，為末端連接有探針的懸臂梁結構；所述懸臂梁為具有壓電效應的PVDF材料；

所述信號調理電路包括電荷放大器，濾波器，??放大器，所述電荷放大器把測量頭產生的電荷信號轉換成電壓信號，并經濾波器去除噪聲和放大器進行信號放大。

本實用新型微力檢測基本原理：具有一定規則形狀的PVDF材料在力的作用下產生形變，其表面會聚集等量的正電荷和負電荷，受力越大，形變越大，聚集電荷越多。因而可設計一種電荷采集電路，將電荷形成的電勢轉換成電壓信號輸出，通過對該電壓信號的檢測，以及PVDF材料結構形變特性，可以計算出受力大小。

本實用新型具有如下優點：本實用新型采用PVDF壓電材料及信號處理單元構成微力傳感器測量微牛頓級的作用力，與壓阻/電容等敏感元件不同，所采用的PVDF壓電材料敏感元件不需要外加激勵信號，本身就可以產生一個可測量的電信號。所設計的微力感知測量頭結構簡單，量程小(0-3μN)，靈敏度高(最高可達0.2μN)。本實用新型的亞微牛頓力標定方法解決了力源問題，因為目前還沒有具有精確數值微牛頓級以下作用力力源用于標定傳感器，本實用新型的標定方法簡單，經過實驗和理論分析驗證表明方法可靠，為微力檢測提供了一種可行的標定方法。另外，此微力檢測系統為微米尺度基于微力反饋控制的加工制造提供一種可行的技術途徑。可以促進精密加工、裝配制造的自動化加工技術水平，實現微型裝備的可靠、高產量的批量制造。

附圖說明

圖1本實用新型亞微牛頓力測量裝置結構示意圖。

圖2圖1中感知測量頭結構示意圖。

圖3圖1中信號調理電路結構圖。

圖4本實用新型一個實施例懸臂梁受力形變撓度曲線。

圖5本實用新型一個實施例PVDF懸臂梁受力與輸出電壓的關系標定曲線與理論模型曲線。

具體實施方式

本實用新型亞微牛頓力測量裝置由微力感知測量頭、信號調理電路(Conditioning?Circuit)和安裝在計算機內的數據采集模塊構成，其中微力感知測量頭接受來自探針的微作用力，將力信號變為電荷后送至信號調理電路，信號調理電路將其轉換成合適大小并能檢測的電壓。數據采集模塊把獲得的電壓信號經過A/D轉換后，利用已標定好的微作用力與信號調理電路輸出電壓之間的關系，將所述電壓值換算為操作時所受到的微力數值。