移，通过差动消除影响，取感 应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB 基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基 准线差距均为SJO. 1mm)，以保证^在I、II象限电容单元产生差动电容输出响应，而在 III、IV象限电容单元则产生对Ty的差动电容响应，设置一个初始错位偏移Sx。，其取值应 保证5M=d(r^其计算值与类似，其初始错位偏移均设置SM=Sy()=0.01mm，以保 证四个象限中的电容单元在TjPty切向激励下能产生两组差动电容对。在图6中CTxI =C#PCTxlI=q为转换tx的差动电容对，而CTxlII=CjPCTxIV=C#』为转换ty的差 动电容对。
[0079] (2)法向应力计算
[0080] 由公式（6)可改写单个电容器的法向响应电容
[0081] 〒
[0082] 其中，i=I、II、III、IV，因每个象限中，N指一个象限内的条状电容单元的数量，N 个条状电容单元是并联。
[0083] 如再将其求和，可
[0084] 上式即为〇"的电容总响应。
[0085] 尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能 实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10,求和的信号流 程框图中，中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法向响 应的合成。
[0086]
[0087] (3)切向应力计算
[0088] q对^和(^对^可以实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出 的总响应
[0089]
[0090] 上式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对0 ^产生影响。即自动消除了 〇"和Ty对T^勺总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合 的电容变化都自动消除。而FjPFJ# 〇n的干扰可通过上层电极在h方向增加几何长度 2 8。消除，0Ty同理可求。
[0091] (4)主要材料选择及其特性参数
[0092] 梳齿状平行板电容器的极板距屯=0. 1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均 为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷）超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为 杨氏模量E= 6. 2MPa，而其抗剪弹性模量为G= 4.IMPa，介质极化时相对介电常数eY = 2. 5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量Ew=103GPa。故电容器内部介质在应力状态 下的变形远大于极板的变形。
[0093] (5)电极引线设计
[0094] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个电容单元模块感应电极则需用 各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，以便整 个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。
[0095] 本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设 计，在10X10mm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个 单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有 4个，对4个电容值求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求F"做出贡献，同时将两 对电容组合组成差动系统，又可获得^和Fy的信息，从而完整描述一个三维力。
[0096] 电容式压力传感器按照矩阵式均匀的排列在水平工作台上，电容极板通过电路引 线与传感器系统信号处理器连接，传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D 变换电路和控制电路，为了节省A/D变换电路，用一路A/D变换电路完成多路压力传感器的 测量，多路信号高速切换电路和控制电路是系统的设计关键，切换速度影响到短暂的步行 过程中测试到的数据量。本发明设计的采集电路同时对256路传感器进行信号切换。来自 控制电路的控制系统经过本地整形后，分三级进行切换，第一级使用32个8路切换器并行 工作，输出32路信号，32路信号进入第二级切换器，采用4个8路切换器并行工作，得到4 路信号，这4路信号进入第三级切换器，得到1路信号，进入A/D变换电路。A/D变换电路在 变换过程中将数据读入计算机中暂存，所有数据读取完成后保存在计算机中。
[0097] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种微机械系统构件的微小摩擦力测试装置，其特征在于，包括法向载荷加载装置， 水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法 向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传 感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，所述传感器包括X 方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方 向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采 用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极 和下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值 求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。2. 根据权利要求1所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述传感器阵列上设置 了一层柔性薄膜，柔性薄膜与水平工作台固定。3. 根据权利要求1所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述每个条状电容单元 的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端 分别预留左差位S左和右差位S右，b0驱=b0感+S右+S左，其中，b0驱为条状电容单元的驱动 电极长度，为条状电容单元的感应电极长度。4. 根据权利要求3所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述差位Ss = ，且其中屯为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，t_为最大应力值。5. 根据权利要求1所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述两组相互形成差动 的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错 位偏移大小相同、方向相反。6. 根据权利要求1所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述梳齿状结构包括20 个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设 有电极间距as。7. 根据权利要求6所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述平行板面积S= M(afas)Iv其中，M为条状电容单元数量，k为条状电容单元的长度，a^条状电容单元的宽 度。8. 根据权利要求6所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述电容单元模块的每 个条状电容单元的引线通过并联或者独立方式连接到传感系统信号处理器。9. 根据权利要求1所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述条状电容单元的宽 度= ^，其中，屯为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。10. 根据权利要求1所述的微小摩擦力测试装置，其特征在于，所述传感系统信号处理 器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的 传输系数。
【专利摘要】本发明涉及一种微机械系统构件的微小摩擦力测试装置,包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，电容压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块。本发明的微机械系统构件的微小摩擦力测试装置，可以准确获取两种不同介质之间的摩擦力，满足微机械设计过程中，对零构件零摩擦或者具有稳定数值的摩擦力的要求。
【IPC分类】G01N19/02
【公开号】CN104990867
【申请号】CN201510455553
【发明人】王蒙, 刘珊, 樊匀, 张婷婷, 李骁颉
【申请人】安徽机电职业技术学院
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月28日