[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

技術領域

本發明屬于微納米力學、精密計量領域，特別涉及一種適用于宏微觀力學測量中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。

背景技術

力的檢測與加載一直都是力學測量中最基本也是最重要的問題之一。隨著微納米技術的發展，微米甚至納米尺度的材料與結構得到了廣泛的應用，同時這些結構之間的相互作用力也從牛頓量級減小到納牛甚至皮牛量級。因此當檢測材料或結構的特征尺度減小到毫米甚至納米量級時，為了準確的測量出微尺度材料與結構的力學性能，在力的測量方面有兩個重要的問題亟待解決。其一，隨著被測結構尺度的減小導致加載與測力結構也必須有與試件相匹配的尺度；其二，需測量的微力范圍可從微牛到納牛，甚至皮牛量級，即具有較寬的載荷范圍，且需要微力測試單元必須有足夠高的靈敏度。傳統的加載單元和測力單元由于這兩個限制導致其在微納米尺度實驗中很難繼續使用，必須研究新的測量微力的方法和感力機構實現微力的加載和測量。

眾所周知，細長梁桿結構在發生屈曲后，自身的剛度劇烈減小。因此，可以采用適當設計的屈曲結構作為力傳感單元，在位移測量精度為亞微米甚至納米量級時，實現力測量靈敏度達到納牛，甚至皮牛量級。

發明內容

針對上述提到的微小力測量問題，本發明的目的是提供一類寬范圍（通過選擇梁結構的尺寸或材料，提供從毫牛到數十納牛載荷）、高靈敏的基于雙梁或串聯雙梁的屈曲式微力探針傳感器及微力測量方法。

為實現上述目的，本發明的內容如下：

一種基于雙梁的屈曲式微力傳感器，其結構為：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。

一種基于串聯雙梁的屈曲式微力傳感器，其結構為：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。

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。

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。

本發明提供的一種采用基于雙梁的屈曲式微力探針傳感器的微力測量方法，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，保持某一失穩狀態；

（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。

本發明提供一種采用基于串聯雙梁的屈曲式微力傳感器的微力測量方法，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。

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梁橫向大位移實現微力測量。

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。

本發明具有以下優點：