《基于pvdf的亚μn微力传感器的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于pvdf的亚μn微力传感器的研究（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2 9 卷第4 期增刊仪器仪表学报 V 0 1 2 9 N o 4 兰塑! 笙兰旦堡垒i 坠皇堕! 旦婴垒! Q ! 墅i 旦坐堕! ! 查业堡皇坐 生垦兰塑! 基于P V D F i l l 7 微力传感器的研究幸 刘意杨1 2王越超1于鹏1席宁1 董再励1 ( 1 中国科学院沈阳自动化研究所机器入学国家重点实验室沈阳1 1 0 0 1 6 ； 2 中国科学院研究生院北京 1 0 0 0 4 9 ) 搐要本文设计了一种新颖的微力感知传感器及其标定方法，以获得亚p N ( m i c r oN e w t o n ) 的可靠的、高精度力反馈信息。 可靠的、高精度的微力感知和控制在提高微装配的
2、效率上具有重要的作用。目前微装配中还没有可靠的亚I IN 分辨率的传感 器。本文以P V D F ( p o l y v i n y l i d e n ef l u o d d e ) 为基本材料，建立出P V D F 传感器所受的微力与输出电压之间的关系模型，开发出 相应的信号处理电路，并对P v D F 传感器的上述模型进行了标定。实验结果表明本文开发的P V D F 传感器具有亚”N 的分辨率， 同时验证了本文建立的P V D F 传感器模型的正确性，并证明了信号处理电路以及标定方法是有效的。本文设计的微力传感器 为微装配和微操作中微接触力的反馈控制提供了可靠的解决方法，并将促进微装配
3、和微操作的自动化加工技术水平，实现微 型装备的可靠、高产量的批量制造。 关键词微力感知传感器P V D F 微装配 R e s e a r c ho nS u b p NM i c r o - f o r c eS e n s o rB a s e do nP V D F L i uY i y a n g1 , 2 W a n gY u e c h a o 1 Y uP e n g 1 X iN i n g 1 D o n gZ a i l i 1 ( 1 S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f R o b o t i c s , S h e n y a n
4、gI n s t i t u t eo f A u t o r a a t i o nC h i n e s eA c a d e m yo f S c i e n c e sS h e n y a n g1 1 0 0 1 6C h i n a 2G r a d u a t eS c h o o lo f t h eC h i n e s eA c a d e m yo f S a e , 燃sB e i j i n s1 0 0 0 4 9C h i n a ) A b s t r a c tAn o v e lm i c r o - f o r c es e n s o rt h a t
5、c a nr e l i a b l ym e a s u r ef o r c ei nt h er a n g eo fs u b - m i c r o - N e w t o n ( N ) a n di t sc a l i b r a t i o nm e t h o da r e d e s i g n e d i nt h i sp a p e r R e l i a b l ea n ds e n s i t i v em i c r o - f o r c e s e n s i n ga n d c o r r e s p o n d i n gc o n t r o l
6、m e t h o di sq u i t ei m p o r t a n tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm i c r o a s s e m b l y A tp r e s e n t , s u b - g N m i c r o - f o r c ei nm i c r o a s s e m b l yi Sn o ta b l et ob er e l i a b l ym e a s u r e db yt h ee x i s t i n gf o r c es e n s o r s I nt h i sp a
7、p e r , t h e p o l y v i n y l i d e n ef l u o f i d e ( P V D F ) i Su s e dt of a b r i c a t eah i g h l ys e n s i t i v ef o r c es e n s o r T h er e l a t i o n s h i pm o d e lo f m i c r o - f o r c ea n dt h es e n s o r So u t p u tv o l t a g ei sb u i l tu p ，a n dc o r r e s p o n d
8、i n gs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i ti sd e s i g n e d a n dr e a l i z e d F u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o n s h i pm o d e li Sc a l i b r a t e d E x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h es u b - 州s e n s i t i v i t yo f t h es e n s o r T h er e s u l t sa l s ov e r i f
9、 yt h ea c c u r a c yo ft h es e n s o r sr e l a t i o n s h i pm o d e l t h ee f f e c t i v e n e s so ft h es i g n a I p r o c e s s i n gm e t h o da n dc a l i b r a t i o nm e t h o d T h em i c r o - f o r c es e n s o rd e v e l o p e di nt h i sp a p e rp r o v i d e saf e a s i b l ea
10、n d v e r s a t i l es o l u t i o ni nm i c r o - f o r c es e n s i n ga n df e e d b a c kc o n t r o lf o rm i c r o n a n oa s s e m b l ya n dm a n i p u l a t i o n , a n d w i l lp r o m o t et h et e c h n o l o g yo fa u t o m a t i n gt 1 1 em i c r o n a n oa s s e m b l ya n dm a n i p
11、u l a t i o n K e yw o r d sm i c r o - f o r c es e n s i n g s e n s o rP V D Fm i c r o a s s e m b l y 1 引言 近年来，从I C 技术衍生出来的M E M S 技术以及 近年来发展的纳米制造与检测技术，正在革新传统 的物理、化学、生物学与自动控制等学科领域中的 加工、检测、制造与实验方法，并为科学实验和加 工工艺开辟了新的前沿研究领域。尽管很多学者在 书基金项目：本研究系国家自然科学基金( 6 0 5 7 5 0 5 0 ) ，国家 自然科学基金重点项目( 6 0 6 3 5 0 4
12、 0 ) 及国家8 6 3 计划 ( 2 0 0 6 A A 0 4 2 3 2 0 ) 1 4 9 研究和开发M E M S N E l l S 新技术和新工艺中进行了大 量研究，但是在自动化微装配和封装工艺中，由于 尺度的微小化，传统的分析方法和制造技术都相对 地受到限制。这种限制的一个主要原因就是尺度变 化的影响。在宏观条件下无关紧要的未知建模的作 用力( 微作用力) 在微尺度上具有很大影响。例如， 当物体尺寸小于l m m 时，操作器和部件问的粘滞 力与重力相比就会变大。这些粘滞力主要来自于表 面张力，范德华力和静电引力，随着尺寸的减小， 这些力的作用会变得越来越明显，并且对操作加工
13、第4 期增刊刘意杨等：基于P V D F 的亚I IN 微力传感器的研究 过程产生主要影响。如帅光通讯网系统采用的 M E M S 光学开关部件，其微型镜片质地很脆，容易破 碎。实验表明当这种材料受力达到微牛顿级别即可 破碎，而这种微牛顿接触力用现有的力传感器是无 法可靠测量的l I J 。 所以在微系统集成化和规模化应用需求下，如 果在装配过程中没有微力传感器提供的微小操作 力的检测信息，就无法有效地控制接触力冲击力 1 2 1 。因此在装配过程中微型设备经常被毁坏，大大 增加了成本并且降低了加工效率。研究表明微型设 备的装配费用占产品总费用的8 0 0 o t 3 l 。 基于以上原因，可
14、靠的、高精度的力感应和控 制在提高微装配的效力和效率上具有重要的作用。 目前，力感知的方法主要有以下六大类： 1 1 应变片式传感器 例如，C a r r o z z a 等在生物医学微器件的装配 中，使用应变片实现了微力的检测1 4 l ；同样， T h o m p s o n 和F e a r i n g 也使用应变片开发了一种微 力传感器，用来对微器件进行定位与操作1 5 】。然而 由于材料本身的特性决定了这些传感器的检测精 度普遍在m N 级别。 1 2 压阻传感器 压阻传感器与应变片式传感器的检测原理基 本一致。因此精度也与应变片式传感器相似，普遍 都在I I I N 或亚m N 范
15、围。例如，Z e s c h 等学者将压阻 传感器装配在A F M 探针上，并用这种探针在推动微 小硅块的过程中实现了力的检测与控制【6 】。 1 3 电容性传感器 与压阻传感器相比，电容性传感器能够检测实 时的力信号，并具有长期稳定性1 7 】a 例如，S u n 等 设计了一种电容性传感器，可以用来平衡力源1 8 】。 电容性传感器的精度也仅为亚m N 级别，而且电容 的变化与受力之间的关系不是线形的，在使用前必 须经过精确、繁琐的标定。 1 4 基于磁效应的传感器 基于磁材料的力传感器的检测精度在理论上 可以达到n N 级别，但由于这种技术对电磁环境非 常敏感，所以基于磁效应的传感器在实
16、际应用的时 候精度通常下降到m N 级别。例如，B o u k a l l e l 等学 者在磁效应的基础上，通过被动磁悬浮机制研制了 一种微力传感器【9 l 【1 0 l ，该传感器在实际应用时的精 度可达到0 O l m N 。 1 5 0 1 5 基于光技术的传感器 除了以上方法，光技术也被用来实现微力的检 测，例如，A r a i 等开发了一套利用拉曼激光分光 光度计( L R S ：L a s e rR a m a nS p e c t r o p h o t o m e t e r ) 来检测力的装置【I I l 。该文通过检测R a m a n 散射光 的峰值频率与带宽，间接测量出被测物体的内部应 力，从而得到施加在物体表面的作用力的值。该方 法检测精度较高，理论上最高精度可以达到 6 9 4pN 。但是每检测一个点的作用力需要花费5 - 9 0 秒的时间。该方法可以进行非接触式微力的测量， 但由于检测速度慢，所以实时测量性能差。另外， N e l s o n 采用光梁偏转的方法来测量M E M S 器件装 配中
