[發明專利]基于雙梁或串聯雙梁的屈曲式微力傳感器及微力測量方法

無效

• 申請號: 201310421860.8
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN103471745A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 李喜德;金鵬
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01N3/00;G01M99/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

1.一種基于雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于，兩個細長梁對稱平行布置，一端固支，另一端共同固定在僅可以沿梁軸向自由滑動的滑塊上，滑塊上設置測力探針固定機構，用來安裝不同形狀的探針，在滑塊的外側設置限位端，限制滑塊的活動范圍；為了保證梁失穩后彎曲方向向外側凸起，在兩個梁的中部預先施加一個向外側的微小位移；在梁中部布置電容式位移測試單元，用來檢測梁在失穩后受到的軸向力。

2.一種基于串聯雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于，第一組細長梁為兩個，對稱平行布置，一端固支；第二組細長梁同樣為兩個，對稱平行布置，其固定端分別與第一組的兩個細長梁的自由移動端固定，組成串聯結構；且兩組細長梁的連接處通過中間橋連板連接；中間橋連板上設置測力探針固定機構，用來安裝不同形狀的探針，在第二組細長梁的自由移動端設置限位端；在兩組細長梁的中部分別布置電容式位移傳感器。

3.根據權利要求1或2所述的基于雙梁或串聯雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于：所述的細長梁由單晶硅、金屬或其合金制造，其特征長度為厘米或微米量級，厚度為毫米或亞微米量級，以探針方式加載或與測量對象連接。

4.根據權利要求1或2所述的基于雙梁或串聯雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于：所述探針的針尖為直徑在0.2～1毫米、曲率半徑在200納米到100微米的鎢絲針尖。

5.一種基于權利要求1所述屈曲式微力傳感器的微力測量方法，其特征在于，按如下步驟進行：

（101）將平行的兩個細長梁一端固定，另一端與一滑塊連接；

（102）預加載，使雙梁橫向相向彎曲失穩；

（103）將失穩的雙梁用限位端固定，保持失穩模態；

（104）利用滑塊上的探針施加載荷；

（105）利用固定于雙梁中部的電容式位移傳感器測量雙梁的橫向位移；

（106）利用步驟（105）中測量得到的橫向位移和步驟（104）中提供的載荷的關系計算所加力載荷；或者通過預先標定位移與載荷關系，然后直接給出力載荷信號。

6.一種基于權利要求2所述屈曲式微力傳感器的微力測量方法，其特征在于，按如下步驟進行：

（201）將串聯后的兩組細長梁的兩對外側端固定，內側端通過中間橋連板連接；

（202）預加載，使串聯雙梁彎曲失穩；

（203）用限位端限制雙梁外側一端，形成穩定彎曲模態；

（204）在橋連板中間連接探針或加載對象，實現拉、壓加載；

（205）利用串聯雙梁中部的兩個電容式位移傳感器測量兩組細長梁各自的橫向位移；

（206）利用步驟（205）中測量得到的橫向位移和步驟（204）中提供的載荷的關系計算所加力載荷；或者通過預先標定位移與載荷關系，然后直接給出力載荷信號。

7.根據權利要求5或6所述的微力測量方法，其特征在于：所述雙梁或串聯雙梁在力檢測前均處于失穩彎曲模態，通過保證失穩模態，微小的載荷即可引起量橫向大位移實現微力測量。

8.根據權利要求5或6所述的微力測量方法，其特征在于：所述步驟（105）或步驟（205）中的橫向位移通過電容式位移傳感器給出，或由顯微系統以圖像方式給出。