[发明专利]一种亚微牛顿级力测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及基于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系统，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光通讯网系统采用的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，也亟需采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。

发明内容

为解决微装配过程中的亚微牛顿接触力测量问题，本发明的目的在于提供一种亚微牛顿力测量系统。

本发明技术方案包括如下：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采用基于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；

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：

F=6EIzvtL2(2L+3L0)]]>

其中，F为悬臂梁末端探针所受y向作用力，v_t为测量头探针末端的形变挠度，E为PVDF悬臂梁的杨氏模量，其中L为悬臂梁的长，L₀为探针长度，I_z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：