专利名称：亚微牛顿级力测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及基于PVDF ( Polyvinylidene fluoride,聚偏二氟乙烯) 压电材料的微牛顿力测量技术。具体地说是亚微牛顿级力的测量装置，主 要用于微纳米尺度加工、装配等技术领域。技术背景微纳米操作是机器人/自动化领域新兴的研究方向，它为物理、化学、 生物、机构与微机电系统、先进制造等领域提供了新的加工制造控制与实 验研究方法。研究表明，随着操作尺度的微小化，操作工具与加工对象的 越来越微小化，任何微小作用力的变化都会引起工具、对象等状态的较大 变化，因而传统宏观条件下位置/力反馈加工制造技术受到了制约。典型如 WMD光通讯网系统釆用的MEMS光学开关部件，其主要功能部件微镜片 在微牛顿力作用下即可破碎。由于目前无法实现微镜片的微力控制操作， 因而装配效率很低；基于纳米材料的纳米器件制造是微加工装配涉及的一 个重要应用领域，纳米材料如CNT在微电极阵列上的定量、定向、定位装 配已成为目前CNT基纳米器件亟待解决的关键问题，这需要微接触力的感 知与反馈控制来实现纳米器件的自动化装配；再者，目前基于MEMS和 LIGA技术研制的微纳米部件，也亟需釆用基于力反馈控制的微镊装配方法 来实现微机电系统装配操作。随着微纳操控技术的发展，宽动态微牛级力 传感检测技术正在成为新的科研与应用的热点，因而研究高灵敏度的微力 传感检测技术对实现微纳器件的高效率自动化制造，促进微纳科学技术发 展和应用具有重要意义.。亚微牛顿接触力的测量目前尚未见报道。实用新型内容为解决微装配过程中的亚微牛顿接触力测量问题，本实用新型的目的 在于提供 一 种亚微牛顿力测量装置。本实用新型技术方案包括如下由微力感知测量头，信号调理电路和 数据釆集模块构成，其中微力感知测量头接受来自探针的微作用力，将力 信号变为电荷后送至信号调理电路，信号调理电路将其转换成合适大小并 能检测的电压信号输出至数据釆集模块，数据采集模块把获得的电压信号 经过A/D转换后，利用已标定微作用力与信号调理电路输出电压之间的关 系，将所述电压值换算为微力数值；所述微力感知测量头釆用基于PVDF压电材料的微力感知测量头，为末端连接有探针的悬臂梁结构；所述悬臂梁为具有压电效应的PVDF材料;所述信号调理电路包括电荷放大器，滤波器，放大器，所述电荷放大 器把测量头产生的电荷信号转换成电压信号，并经滤波器去除噪声和放大 器进行信号放大。本实用新型微力检测基本原理具有一定规则形状的PVDF材料在力 的作用下产生形变，其表面会聚集等量的正电荷和负电荷，受力越大，形 变越大，聚集电荷越多。因而可设计一种电荷釆集电路，将电荷形成的电 势转换成电压信号输出，通过对该电压信号的检测，以及PVDF材料结构 形变特性，可以计算出受力大小。本实用新型具有如下优点本实用新型釆用PVDF压电材料及信号处 理单元构成微力传感器测量微牛顿级的作用力，与压阻/电容等敏感元件不 同，所采用的PVDF压电材料敏感元件不需要外加激励信号，本身就可以 产生一个可测量的电信号。所设计的微力感知测量头结构简单，量程小(0-3 aW)，灵敏度高(最高可达0.2-)。本实用新型的亚微牛顿力标定方法解 决了力源问题，因为目前还没有具有精确数值微牛顿级以下作用力力源用 于标定传感器，本实用新型的标定方法简单，经过实验和理论分析验证表 明方法可靠，为微力检测提供了一种可行的标定方法。另外，此微力检测 系统为微米尺度基于微力反馈控制的加工制造提供 一种可行的技术途径。 可以促进精密加工、装配制造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。
图1本实用新型亚微牛顿力测量装置结构示意图。 图2图1中感知测量头结构示意图。 图3图1中信号调理电路结构图。 图4本实用新型一个实施例悬臂梁受力形变挠度曲线。 图5本实用新型一个实施例PVDF悬臂梁受力与输出电压的关系标定 曲线与理论模型曲线。
具体实施方式
本实用新型亚微牛顿力测量装置由微力感知测量头、信号调理电路 (Conditioning Circuit)和安装在计算机内的数据釆集模块构成，其中微力 感知测量头接受来自探针的微作用力，将力信号变为电荷后送至信号调理 电路，信号调理电路将其转换成合适大小并能检测的电压。数据釆集模块 把获得的电压信号经过A/D转换后，利用已标定好的微作用力与信号调理 电路输出电压之间的关系，将所述电压值换算为操作时所受到的微力数值。1. 所述微力感知测量头采用基于PVDF压电材料的微力感知测量头，此微力感知测量头釆用简单实用的悬臂梁结构(如图2所示)，悬臂梁P由 具有压电效应的PVDF材料构成。悬臂梁末端连接一探针T,用于与被操 作物体直接接触并受力。悬臂梁P与信号调理电路中的电荷放大器电连接 (悬臂梁P的上表面电极C与下表面电极D分别接至电荷放大器中运算放 大器U1的负相输入端和信号地；参见图3,虛线框1即PVDF材料悬臂梁 内的Q相当于悬臂梁P的电荷源，Cp相当于悬臂梁P的等效电容，i^相当 于悬臂梁P的等效电阻)。2. 信号调理电路(如图2所示)，把悬臂梁形变电势转换成电压信号。 主要功能 一是实现压电元件的高输入阻抗变换为低阻抗输出的阻抗变换； 二是去除噪声干扰；三是实现信号的放大。信号调理电路包括电荷放大器2，滤波器U2，放大器U3组成，所述 电荷放大器2接收作为传感元件的悬臂梁1的微力信号，输出电压信号经 滤波器U2至放大器U3;在滤波器U2与悬臂梁1之间设反馈电路；电荷 放大器2的输入端，即运算放大器U1的信号输入端(_ )，通过导线连接 到悬臂梁1其中一个电极上(上表面电极C)，悬臂梁1的另一个电极(下 表面电极D)与电路的信号地连接。其中，所述电荷放大器2中的运算放大器U1可釆用具有10'2Q高输入 阻抗和25pA低偏置电流的稳定运算放大电器(AD544)。所述电荷放大器2中的反馈电路由馈电容C,构成，C,这里取1000pF。为了提高放大器的工作稳定性，在所述反馈电路中，反馈电容的两端可并 联一个大的反馈电阻^.(宜采用大电阻，本设计釆用10SQ),以提供直流反 馈。因为PVDF材料的内阻很高，系统的低频下限主要由电荷放大器的反 馈电容和反馈电阻决定，其截止频率为/=一_^,其中义为系统的低频下限，这里为0.005Hz,可以对准静态的作用力进行测量。由于振动和热噪声是传感器信号的主要高频干扰源，本实用新型所述 低通波器U2釆用截止频率为120Hz的有源低通滤波器来抑制高频噪声。数据釆集模块采用凌华科技的PCI9111HR数据釆集卡，并利用计算机 进行数据处理得出具体微力大小数值。工作原理当利用悬臂梁结构测量头前端的探针进行微装配搡作时， 悬臂梁由于受力形变产生电荷，并由信号调理电路转换成合适大小并能检 测的电压，数据釆集模块把获得的电压信号经过A/D转换后送给计算机， 换算成微力数值。所述对微作用力与信号调理电路输出电压之间的关系的标定指通过建立微作用力模型来获得预定的微作用力标定值，建立测量系统理论数学 模型来验证标定结果的正确性。所述微作用力模型的建立先用悬臂梁探针末端与纳米位移平台接触, 再利用纳米位移平台实现预定步长瞬时移动，从而带动悬臂梁产生相应形变，利用材料力学建立如下模型广 6￡v,丄2(2￡ + 3丄。)其中，v,为测量头探针末端的形变挠度，￡为PVDF悬臂梁的杨氏模量, 其中Z为悬臂梁的长，丄。为探针长度，A是悬臂梁截面对z轴的惯性矩。所述数学模型根据材料力学特性计算悬臂梁截面所受的平均应力，再 根据压电方程计算悬臂梁在此应力下所产生的总电荷量，再由信号调理电 路输入电荷总量与输出电压的关系模型得出悬臂梁受力与输出电压之间的关系，建立如下测量系统的理论数学模型3《雄+ 2丄o)《C,。"'其中F为悬臂梁末端探针所受y向作用力，A为悬臂梁厚度，K。",为信 号调理电路的输出电压，^为PVDF材料的压电常数，C,为信号处理电路 中电荷放大器的反馈电容，《为信号调理电路的放大倍数。具体标定过程为把测量头探针末端置于纳米位移平台上，这里纳米 位移平台采用New Focus公司3-D精密电动平台(9062-XYZ-PPP-M，步长 精度30nm)。每次使位移平台以不同的步长在瞬间内移动，PVDF悬臂梁 会因受力而产生不同大小的形变，同时测量信号调理电路的相应电压输出。 利用位移平台每次移动的步长，和所建立的悬臂梁材料力学模型，得到每 次所施加的不同大小的微作用力；然后釆用最小二乘法对所得到的数据进 行回归分析，建立作用力与信号调理电路输出电压之间的关系，并绘出标 定曲线；最后同测量系统理论数学模型绘出的理论曲线进行比较，验证此 标定方法的有效性。测量系统数学模型的具体建立过程如图2所示，根据受力分析得到悬臂梁沿坐标系;c方向上任 一 点所受的 弯矩似=军-x +丄。) (1)M为悬臂梁弯矩，F为悬臂梁末端探针所受y向作用力，其中丄为悬臂 梁的长，丄。为探针长度。根据悬臂梁的材料力学特性，可以得到横截面上的平均应力。<formula>formula see original document page 7</formula>
cr是悬臂梁截面应力，、A分别为悬臂梁的宽和厚度，5为悬臂梁横 截面面积(『W)， /.是悬臂梁截面对z轴的惯性矩。当PVDF压电材料悬臂梁作为传感元件使用时，外加电场为零，压电方程可表示为"=《1(7, D是电位移，^为PVDF材料的压电常数。则在悬臂梁上下表面所产生的电荷总量e为<formula>formula see original document page 7</formula> 其中^为悬臂梁上下表面积悬臂梁传感单元因形变产生的电荷经信号调理电路滤波、放大处理后 得到输出电压，信号调理电路输入电荷总量与输出电压的关系模型如下式所示<formula>formula see original document page 7</formula>
^,为信号调理电路的输出电压，,为电荷放大器的输出电压，《为信号调理电路的放大倍数。由(3)和(5)得出悬臂梁受力与输出电压之间的关系模型，即此测 量系统的数学模型<formula>formula see original document page 7</formula>所述微作用力模型的建立具体过程当电动纳米位移平台以步长v,瞬时运动一次后，测量头探针末端的形变挠度也即为v,,如图4所示PVDF悬臂梁受力形变挠度曲线。根据挠曲线近似微分方程式得到下式<formula>formula see original document page 7</formula>v为PVDF悬臂梁形变后的挠度，￡为PVDF悬臂梁的杨氏模量 (2.5 x109 Pa )。上式积分后得到<formula>formula see original document page 8</formula>当探针末端偏转角0非常小时有v",-;tan"v,。于是得到微作用力(10)
通过计算式(10)便可到对PVDF悬臂梁所施加的实际作用力。让纳 米移动平台每次以不同的步长v,运动，并算出每次施加不同的作用力，同时 记录信号调理电路的输出电压，绘出实际测量得到的传感器末端受力与输 出电压标定曲线Ca,此实施例得到的数据结果经最小二乘法拟合得到 7 = 0.雨9尸+0.0033,与所建立的理论模型(6)代入各项参数所得到的曲线 r二0.11198F相比是非常接近的。从图5也可以看出，实际测量得到的曲线 Ca与建立的理论模型曲线Te非常接近，这说明所建立的测量系统模型是正 确的，此标定方法是科学可行的。
权利要求1.一种亚微牛顿力测量装置，其特征在于由微力感知测量头，信号调理电路和数据采集模块构成，其中微力感知测量头接受来自探针的微作用力，将力信号变为电荷后送至信号调理电路，信号调理电路将其转换成合适大小并能检测的电压信号输出至数据采集模块，数据采集模块把获得的电压信号经过A/D转换后利用已标定好的对微作用力与信号调理电路输出电压之间的关系，将所述电压值换算为微力数值。
2. 按权利要求l所述亚微牛顿力测量装置，其特征在于所述微力感 知测量头釆用基于PVDF压电材料的微力感知测量头，为末端连接有探针 的悬臂梁结构。
3. 按权利要求2所述亚微牛顿力测量装置，其特征在于所述悬臂梁 为具有压电效应的PVDF材料。
4. 按权利要求l所述亚微牛顿力测量装置，其特征在于所述信号调 理电路包括电荷放大器(2),滤波器(U2),放大器(U3)，所述电荷放大 器(2 )把测量头(1 )产生的电荷信号转换成电压信号，输出经滤波器(U2 ) 去除噪声后接至放大器(U3)。
专利摘要本实用新型涉及基于PVDF压电材料的微牛顿力测量技术。具体地说是亚微牛顿级力的测量装置，它由微力感知测量头，信号调理电路和数据采集模块构成，其中微力感知测量头接受来自探针的微作用力，将力信号变为电荷后送至信号调理电路，信号调理电路将其转换成合适大小并能检测的电压信号输出至数据采集模块，数据采集模块把获得的电压信号经过A/D转换后利用已标定好的微作用力与信号调理电路输出电压之间的关系，将所述电压值换算为微力数值。采用本实用新型解决了微装配过程中的亚微牛顿接触力测量问题，主要用于微纳米尺度加工、装配等技术领域。
文档编号G01L1/16GK201096557SQ20072001392
公开日2008年8月6日 申请日期2007年8月22日 优先权日2007年8月22日
发明者鹏 于, 刘意杨, 刘连庆, 王光宏, 磊 缪, 董再励 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所