[发明专利]一种三维微力测量装置

说明书

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，随着微机电系统(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 系统中微尺度构件力学性能的研究、机器人触觉系统中的微力测量与 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系统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系统还相 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，具有精度声、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，是测量系统 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系统。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系统对三 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，可广泛应用于微系统中三维微力的测量，促进微 装配、微加工与生物细胞技术水平的提高，实现微系统的可靠使用。

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系统的电路图。

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