CN101710006A - 一种三维微力测量装置 - Google Patents

Abstract

一种三维微力测量装置，包括一减震平台3，减震平台3上固定有电控三维位移平台1与载物台2，并将压电陶瓷位移平台4固定在电控三维位移平台1的Z轴上，硅微三维微力传感器6固定在压电陶瓷平台4上，硅微三维微力传感器6的惠斯通电桥12将电压信号输出至放大运算电路13，电压信号经放大运算电路13放大后输入到数字显示模块14中，可以同时进行μN级三维微力的测量，具有精度高、灵敏度高、线性好的特点。

Description

一种三维微力测量装置

技术领域

本发明属于微力测试技术领域，特别涉及到一种基于压阻效应的三维微力硅微探针传感器的三维微力测量装置。

背景技术

近几年来，随着微机电***(MEMS)技术的不断发展，越来越多的学者与研究机构开始对微观世界进行深入研究。为了更好地对微观物质进行操作和研究其力学特性，非常有必要开展三维微力测量技术的研究，特别是微牛顿(uN)级的三维微力测量和传感技术。在MEMS***中微尺度构件力学性能的研究、机器人触觉***中的微力测量与加载、微纳器件装配中的微力监测、生物技术、细胞操作以及微制造技术等领域中多需要三维微力的测量与控制，因此三维微力测量得到了世界各国的广泛关注，已经成为国内外研究的热点。但目前来看，绝大部分传统的三维力测量***测力范围还限制在牛顿级别，缺少测量μN级作用力的能力；而基于MEMS微传感器的微力测量***还相对较少，且虽然可以达到测量μN量级作用力的能力，但往往只能测量单维或二维微力。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于压阻效应的三维微力硅微探针传感器的三维微力测量装置，可以同时进行μN级三维微力的测量，具有精度高、灵敏度高、线形好的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种三维微力测量装置，包括一减震平台3，在减震平台3上相距一定位置分别固定有电控三维位移平台1与载物台2，并将压电陶瓷位移平台4固定在电控三维位移平台1的Z轴上，硅微三维微力传感器6固定在压电陶瓷平台4上；硅微三维微力传感器6的探针10朝下；硅微三维微力传感器6的惠斯通电桥12将电压信号输出至放大运算电路13，电压信号经放大运算电路13放大后输入到数字显示模块14中。

电控三维微位移平台1由步进电机控制器，以及x、y、z三轴电控平移台构成，其最小分辨率可达1.25μm，主要功能是对位移平台的粗调。步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，带动电控平移台导轨转动，从而达到电控平移台准确定位的目的。

压电陶瓷位移平台4由压电控制器以及压电陶瓷精密平台组成，并通过支架5将压电陶瓷位移平台4固定在电控三维微位移平台1的z轴上。基于逆压电效应，通过对压电陶瓷施加电压，使其在指定方向产生变形，得到所需的微位移，理论分辨率可以达到1nm，主要功能是对位移平台的微调。

硅微三维微力传感器6的主要元件是基于压阻效应的三维微力硅微探针传感器。当X、Y或Z方向的作用力作用到传感器上时，传感器的弹性单元产生变形，从而引起制作在弹性单元上的压阻条发生形变，电阻发生变化，并通过惠斯通电桥转换成电压信号输出。该传感器具有高灵敏度，高线性度，高分辨率，高稳定性等优良特性，不但可以同时对三维力进行测量，而且分辨率可达uN级，是测量***的核心元件。

为了测量传感器的输出电压并且输出准确的测量值，运用放大运算电路13、数字显示模块14组成信号调理与显示***。放大运算电路13拟采用仪表放大器AD620，数字显示模块14由包括了A/D转换模块在内的三位半LED显示芯片ICL7106组成，显示待测微力值。

探针10为石英光纤探针，探针尖直径小于60um。

本发明采用基于步进电机的三维微位移电控台粗调与压电陶瓷微位移台微调相结合的方式，很好的控制了平台的定位及预载荷力，保证了测量的范围与精度；三维微力硅微探针传感器保证了***对三维微力的高精度、高灵敏度、高线性的测量；利用运算放大器对传感器的输出电压信号进行分析放大，并通过数字显示模块直接显示测量得到的微力，记录方便简单；因此，总体来说本发明测量性能好，操作简单，记录方便，可广泛应用于微***中三维微力的测量，促进微装配、微加工与生物细胞技术水平的提高，实现微***的可靠使用。

附图说明

图1是本发明的三维微力测量装置的结构示意图。

图2是本发明的三维微力硅微探针传感器结构示意图。

图3是本发明的信号调理与显示***的电路图。

图4是本发明的三维微力测量装置的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明包括一减震平台3，在减震平台3上相距一定位置分别固定有电控三维位移平台1与载物台2，并将压电陶瓷位移平台4通过支架5固定在电控三维位移平台1的Z轴上，硅微三维微力传感器6通过支杆7固定在压电陶瓷平台4上，硅微三维微力传感器6的探针10朝下。

在测力过程中，首先通过电机控制器控制电控三维位移平台1上X、Y、Z三方向上的电机8发生转动，带动电控三维位移平台1移动对硅微三维微力传感器6位置进行初步调节，使其与载物台2上的待测物体充分接近，然后通过控制器控制压电陶瓷平台4对硅微三维微力传感器6位置进行细微调节，使探针10与待测物体接触，待测力通过探针10传递到硅微三维微力传感器6上，从而达到测力的目的。

如图2所示，硅微三维微力传感器6包括一过载保护单元11，过载保护单元11上键合有弹性单元9，弹性单元9采用四单端固支梁支撑质量块的结构，利用体硅硅微工艺加工而成，四单端固支梁上利用离子注入技术在压阻系数最大晶向与最大应力区制作的敏感电阻组成惠斯通电桥，敏感电阻感应梁的变形并将其转换成电压信号输出；在弹性单元9的质量块中间通过黏贴剂固定有探针10，探针10为石英光纤探针，X、Y、Z方向的作用力通过该探针传递到弹性单元 9的悬臂梁上，使悬臂梁产生变形。为了减小探针与被测物体的接触面积，提高传感器的灵敏度，用氢氟酸溶液对探针进行腐蚀使探针尖直径小于60um；过载保护单元11为玻璃基底，采用阳极键合技术与弹性单元9键合在一起，当作用力过大时，传感器的质量块与玻璃基底11接触，避免传感器遭到破坏。然后将硅微三维微力传感器6针尖朝下黏贴在支杆7上，支杆7的另一端固定在压电陶瓷微位移平台4上。

图3为微力测量装置的信号调理电路，主要包括惠斯通电桥12，放大运算电路13以及数字显示模块14。电压信号由惠斯通电桥12输出后，由于比较微弱，经放大运算电路13放大后输入到数字显示模块14中，通过LED显示待测微力值。本发明的放大运算电路13拟采用仪表放大器AD620，数字显示模块14由包括了A/D转换模块在内的三位半LED显示芯片ICL7106组成，显示待测微力值。

如图4所示，本发明通过计算机控制器编写位移控制命令程序，对三维位移平台传输程序命令序列，控制三维位移平台按设定的位移方案做三个方向的移动，使固定在平台上的硅微三维微力传感器6的探针接触到载物台2上的待测物体达到对其施加作用力的目的，导致硅微三维微力传感器6弹性体变形，传感器敏感电阻发生变化，通过惠斯通电桥转化成电压信号输出，电压信号通过信号调理与显示电路显示出来。

Claims (5)

1.一种三维微力测量装置，包括一减震平台(3)，在减震平台(3上相距一定位置分别固定有电控三维位移平台(1)与载物台(2)，其特征是，将压电陶瓷位移平台(4)固定在电控三维位移平台(1)的Z轴上，硅微三维微力传感器(6)固定在压电陶瓷平台(4)上；硅微三维微力传感器(6)的惠斯通电桥(12)将电压信号输出至放大运算电路(13)，电压信号经放大运算电路(13)放大后输入到数字显示模块(14)中。

2.根据权利要求1所说的三维微力测量装置，其特征是，硅微三维微力传感器(6)的探针(10)朝下。

3.根据权利要求1所说的三维微力测量装置，其特征是，放大运算电路(13)拟采用仪表放大器AD620。

4.根据权利要求1所说的三维微力测量装置，其特征是，数字显示模块(14)由包括了A/D转换模块在内的三位半LED显示芯片ICL7106组成。

5.根据权利要求1或2所说的三维微力测量装置，其特征是，探针(10)为石英光纤探针，探针尖直径小于60um。

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