[发明专利]压电驱动-感知集成的六维柔性并联细胞微力传感器

说明书

本发明公开了一种压电驱动‑感知集成的六维柔性并联细胞微力传感器，包括自上往下依次设置的探针、上盖板、柔性并联弹性体、电路板和下盖板，探针与柔性并联弹性体相连，电路板、柔性并联弹性体和上盖板均与下盖板固定连接；柔性并联弹性体自上而下依次包含第一平台、柔性梁和第二平台，柔性梁两侧分别设有PVDF薄膜和MFC薄膜；电路板内部集成有主控电路、用于将PVDF薄膜感知到的电荷信号转换为电压信号的感知层电路、用于将主控电路产生的弱电压信号进行放大来驱动MFC薄膜的驱动层电路和收发电路。本发明采用MFC薄膜作为驱动层、PVDF薄膜作为感知层，采用反馈控制抑制外环境中时变不确定干扰，提高了测量的鲁棒性及稳定性，结构简单可靠、集成度高。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种压电驱动-感知集成的六维柔性并联细胞微力传感器。

背景技术

为完成高精度、多样性的单细胞微操作任务，如基因注射、人工授精、核移植等，细胞微操作机器人系统需对可变形的细胞进行移动、旋转、夹持、穿刺等一系列灵巧微动作。作为系统中重要的功能部件，细胞微力传感器能够用来实时全面监测、分析与细胞交互过程的受力情况，保障可靠的作业质量和效率，同时实现细胞最小损伤提高存活率。然而，细胞所能承受的接触力一般在微牛至毫牛级别，过大的力将会造成细胞破损失去活性，这就对细胞微力传感器性能提出了非常苛刻的要求，其测量精度、维度及量程等性能优劣直接影响系统可靠的作业质量和效率。

为了实现微力测量，国内外学者提出了种类繁多的微力传感器技术，主要包括：应变式、压阻式、电容式、压电式，以及基于磁效应、光技术等。应变式和压阻式力传感器检测技术比较成熟、设计也相对简单，但其精度不高仅为毫牛级别。电容式力传感器相比之下稳定性和灵敏度更高，能够达到微牛至亚微牛测量精度，但传感器制造难度较大，且依赖于复杂的电路设计来过滤噪音的干扰。基于磁效应的力传感器可实现超高精度，但相应地仅能达到纳牛力测量范围，且易受电磁干扰导致精度下降而使得应用受限。基于光技术的力传感器常见于原子力显微镜中，能够实现非接触、微牛至亚纳牛精度的测量，抗干扰性能好，但测量范围及维度较小，且需要复杂昂贵的精密光学对准设备。

压电微力传感器是通过压电材料的压电效应实现力的测量。由于PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜具有压电性强、频率响应宽、灵敏度高、柔性好、易加工且价格低廉等突出性能，在压电微力传感器中被广泛应用。相比上述其他几种微力测量方法，基于PVDF的压电微力传感器在细胞微力测量中展现出了巨大优势和潜力。例如，在《The International Journalof Robotics Research》中2010年发表的文献《A force control approach to a robot-assisted cell microinjection system》中，提出了一种简支梁结构的PVDF微力传感器，实现了微牛力测量；在《制造业自动化》中2015年发表的文献《基于PVDF的微力传感器设计》中，提出了一种悬臂梁结构的PVDF微力传感器，实现亚微牛分辨力测量。虽然上述微力传感器已在细胞微操作中有了一定的应用，但相关的技术研发仍多为一维微力测量，无法充分满足复杂细胞微操作力测量的任务要求。

现有的六维力传感器分为一体式和并联式，相比于一体式六维力传感器，并联式六维力传感器具有更好的各向同性、刚度性能以及误差灵敏度，同时占用空间更小，更适用于微型精密传感场合。目前，并联式六维力传感器普遍采取Stewart机构形式，通过测量六个分支弹性体上的应变力，再结合Stewart机构的力映射关系，可解算出空间六维力。其中，分支弹性体的结构设计决定了并联式六维力传感器的测力精度和整体刚度，是整个并联式六维力传感器的核心研究内容。公开号为CN108444632A的专利提出了一种基于SPS支链的并联结构六维力传感器，公开号为CN104034474A的专利提出了一种3-SPU并联六维力传感器，但上述构型设计多采用大刚度的弹性体结构，实现了大尺度宏牛力测量而不适用于细胞微力测量要求。