（测试计量技术及仪器专业论文）mems压阻式三维微触觉力传感器的研究.pdf

摘要 随着微米纳米技术的迅速发展，科学研究的对象不断向微小化发展，微小精 密机械零件的装配、微机电系统( m e m s ) 器件的组装、单细胞操作、扫描探针显 微镜等领域中无不存在着微小空间内微小力测量的需求。近年来随着m e m s 技 术的迅速发展，开发满足微小空间内微小力测量的精密仪器成为了可能。 针对微空间内微小力测量的需求，本文开发了一种m e m s 压阻式三维微触 觉力传感器，研究了该传感器力特性的标定方法，基于这种微型传感器建立了一 套三维微小力测量系统，开展了微小力测量实验，论文完成的主要工作包括： 1 设计和加工了传感器。讨论了传感器的工作原理，建立了传感器的力学模 型，对压敏电阻的排布位置、尺寸、阻值和连接方式等进行了分析，完成了传感 器的结构设计，采用m e m s 硅微加工工艺和超精密机械加工工艺加工制备出了 传感器敏感单元和测杆等关键元件，并对传感器进行了装配和封装。 2 对传感器的力特性进行了标定。采用基于悬臂梁弯曲变形原理获得标准微 小力信号，分析了标定误差的主要来源及其补偿方法，搭建了传感器力特性标定 系统、悬臂梁弹性系数标定系统及传感器测杆位移特性系数标定系统等实验装 置，对传感器的力特性进行了标定，建立了传感器的力特性方程。 3 构建了三维微小力测量系统。基于m e m s 压阻式三维微触觉力传感器，针 对微小空间内微小力测量的需求，设计调试了以m s p 4 3 0 单片机为控制核心，包 含压阻信号的调理、采集、显示和传输等功能的硬件电路，编写了单片机和上位 机的软件程序，构建出了一套三维微小力测量系统。 4 开展了三维微小力测量实验。搭建了基于高精度电子天平的微小力测量实 验装置，利用构建的三维微小力测量系统，进行了三维微小力测量实验，实验结 果表明，本论文所开发的m e m s 压阻式三维微触觉力传感器及以其为核心构建 的三维微小力测量系统能够满足微小空间内微小力测量的需求。 关键词：m e m s 三维微触觉力传感器压阻检测标定悬臂梁微小力测量 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o n a n ot e c h n o l o g y o b j e c t sp e o p l es t u d y b e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e r ，m i c r o f o r c em e a s u r e m e n t sa r er e q u i r e di nm a n yr e s e a r c h a r e a si n c l u d i n ga s s e m b l a g eo fp r e c i s i o nm i n i a t u r em e c h a n i c a lp a r t s ，p a c k a g i n go f m e m sp a r t s ，m a n i p u l a t i o no fs i n g l ec e l l ，s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p y ，e ta 1 i nr e c e n t y e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m st e c h n o l o g ym a k e si tp o s s i b l et od e v e l o p e p r e c i s i o nm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sr e q u i r e dt om e a s u r em i c r o f o r c ei ns m a l ls p a c e t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fm i c r o f o r c em e a s u r e m e n t si ns m a l ls p a c e ，i nt h i s p a p e r , ak i n d o fm e m sp i e z o - r e s i s t a n c e 3 - dm i c r o t a c t i l ef o r c es e n s o rw a s d e v e l o p e d ，t h em e t h o dt oc a l i b r a t et h es e n s o rw a ss t u d i e d ，as e to f3 一dm i c r o f o r c e m e a s u r i n gs y s t e mw a sb u i l tb a s e do nt h i sk i n do fm i c r o - s e n s o r , o nt h i sb a s i s ， m i c r o f o r c em e a s u r i n ge x p e r i m e n tw a sc a r r i e do n n em a i na c h i e v e m e n t so ft h i s p a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g n e da n df a b r i c a t e dt h es e n s o r t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es e n s o rw a s d i s c u s s e d ，t h ef o r c em o d e lo ft h es e n s o rw a se s t a b l i s h e d ，t h el a y o u t ，s i z e ，v a l u ea n d c o n n e c t i o no fp i e z o r e s i s t a n c e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h e nc o m p l e t e dt h es t r u c t u r ed e s i g n o ft h es e n s o r , t h ek e yc o m p o n e n t so ft h es e n s o r ，t h es e n s i t i v eu n i ta n dt h ep r o b e ，w e r e f a b r i c a t e db y m ss i l i c o n m i c r o - p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n du l t r a p r e c i s i o n m a c h i n i n gp r o c e s sr e s p e c t i v e l y ，o n t h i s b a s i s ，t h es e n s o rw a sa s s e m b l i e da n d p a c k a g e d 2 c a l i b r a t e dt h es e n s o r 1 1 1 es t a n d a r dm i c r o f o r c e su s e di nt h ec a l i b r a t i o np r o c e s s w e r eo b t a i l l e df r o mb e n d i n gc a n t i l e v e r , t h em a j o rs o u r c eo fc a l i b r a t i o ne r r o ra n di t s c o m p e n s a t i o nm e t h o dw a sa n a l y z e d ，e x p e r i m e n td e v i c e si n c l u d i n gt h es e n s o ro u t p u t c h a r a c t e r i s t i c sc a l i b r a t i o ns y s t e m ，t h ec a n t i l e v e re l a s t i c i t yc a l i b r a t i o ns y s t e ma n dt h e p r o b ed i s p l a c e m e n tc o e f f i c i e n tc a l i b r a t i o ns y s t e mw e r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yt o c a l i b r a t et h es e n s o r ，t h e nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i ce q u a t i o n so ft h es e n s o rw e r e e s t a b l i s h e d 3 b u i l tt h e3 一dm i c r o - f o r c e m e a s u r i n gs y s t e m b a s e d o nt h em e m s p i e z o r e s i s t a n c e3 一dm i c r o t a c t i l ef o r c es e n s o r c o n s i d e r i n g t h er e q u i r e m e n t sd u r i n g t h em e a s u r e m e n t so fm i c r o f o r c ei ns m a l ls p a c e ，t h eh a r d w a r ec i r c u i tw o r k i n gw i t ht h e m s p 4 3 0s c ma st h ec o r ew a sd e s i g n e da n dd e b u g g e d ，i t m a i n l yi n c l u d e st h e f u n c t i o n so f p i e z o r e s i s t i v es i g n a lc o n d i t i o n i n g ， a c q u i s i t i o n ，d i s p l a y a n d t r a n s m i s s i o n , s c ma n dp cs o f t w a r ep r o g r a m sw e r ed e v e l o p e da sw e l l ，o nt h i sb a s i s ，a s e to f3 一dm i c r o - f o r c em e a s u r i n g s y s t e mw a sb u i l t 4 c a r r i e do nm i c r o f o r c e m e a s u r i n ge x p e r i m e n t m i c r o f o r c e m e a s u r i n g e x p e r i m e n td e v i c ew a sb u i l tb a s e do nt h eh i g h p r e c i s i o ne l e c t r o n i cb a l a n c et oc a r r yo n 3 - dm i c r o - f o r c e m e a s u r i n ge x p e r i m e n tc o m b i n i n gt h eb u i l t3 - dm i c r o f o r c e m e a s u n n gs y s t e m , e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e m sp i e z o r e s i s t a n c e3 一d m i c r o 。t a c t i l ef o r c es e n s o rd e v e l o p e di nt h i sp a p e ra n dt h e3 - d m i c r o f o r c em e a s u r i n g s y s t e mw o r k i n gw i t ht h es e n s o ra si t sc o r ec o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm i c r o f o r c e m e a s u r e m e n ti ns m a l ls p a c e k e yw o r d s ：m e m s ，3 - dm i c r o t a c t i l ef o r c es e n s o r , p i e z o r e s i t i v ed e t e c t i o n c a l i b r a t i o n , c a n t i l e v e r , m i c r o f o r c em e a s u r e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丑和钟签字日期：加夕。年舌月争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁连盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 答字醐：炒7 年 。争灰 易月五日 导师签名：象大超 签字吼一年多月垆日 第一章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 第一章绪论 微米纳米技术的迅速发展及微操作微加工等新兴学科的突飞猛进，使得微尺 度环境下的微小力测量受到了人们的广泛关注。生物医学领域【1 3 j 的生物力学研 究、单细胞操作，航空航天领域的微加i 微操作州、微型航天器制造，精密工 程领域【。7 8 】的扫描探针显微镜等领域都存在微尺度环境下微小力测量的难题。本 章讨论了微小力测量的研究现状，总结了国内外最近开发的几种典型的微小力传 感器及其应用领域，分析了微小力测量的发展趋势，提出了本课题的主要工作。 1 1 力传感器 1 1 1 力传感器发展概述 从目前的研究现状来看，力测量的难点在于力传感器的研制，而力传感器根 据测量对象的要求不同可以分为大量程和高精度两种，大量程的力传感器出现较 早，发展也比较成熟，这种传感器可以在较大范围内对被测对象进行测量，但是 它的测量精度相对较低，对于测量精度要求较高的场合往往不能满足要求。高精 度传感器早期发展较慢，应用场合不多，但是，近年来，随着m e m s ( 微机电系 统) 技术的迅速发展以及精密测量等领域的迫切需求，这种传感器得到了迅速发 展。目前基于m e m s 技术的力传感器已成为国内外高精度力传感器中的研究热 点，这种传感器虽然量程较小，但以其特有的小体积和高精度等特点在生物医学、 航空航天、军事、工业等领域起着不不可替代的作用。 1 1 2 力传感器的分类及特点 力传感器按照工作原理可以分为压阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、 表面声波、光纤、薄膜力传感器等。这几种类型传感器的优缺点如表1 1 所示。 表1 1 各种力传感器性能比较 检测方式优点 缺点 体积小、结构简单、便于集成；属于接触式测量：受温度、衬底 压阻式灵敏度高、精度高、频率响应特材料和粘贴的影响大。 性好。 第一章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 电容式灵敏度高，精度可靠，属于非接测量范围小，容易受寄生电容和 触式测量，动态响应快，发热小。外界的干扰。 电感式分辨率高，成本低，非接触式测由于原理所限，动态特性不好。 量，安装方便。 压电式 分辨率高、精度好、动态响应快，价格较高，需要辅助设备多。 不受磁场、电场的影响。 磁电式体积小、造价低、抗干扰能力强、废品率较高，价格高，应用还不 分辨率和精度较高。广泛。 光纤、薄膜量程大，分辨率高，抗干扰能力系统庞大，造价昂贵。 强。 其中，压阻应变式力传感器以其灵敏度高、结构紧凑、价格低、使用维修方 便、技术成熟等优点，成为研究最多、应用最广泛的一种力传感器。 1 2m e m s 技术及其特点 m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 是微机电系统的缩写。m e m s 是美 国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统。m e m s 主要包括微型 机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微 细加工技术( 包括硅体微加工、硅表面微加工、l i g a 和晶片键合等技术) ，并应 用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科【9 】。 m e m s 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用m e m s 技术制 作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力 电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接 触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。m e m s 技术正发展成为一个巨 大的产业，就象近2 0 年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样， m e m s 也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前 m e m s 市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘 驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5 年m e m s 器件的销售额将呈迅速增 长之势，年平均增加率约为1 8 ，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半 导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 m e m s 器件和系统具有以下几个特点和优点【l o 】：( 1 ) 微型化，m e m s 器件和 系统最大的特点是体积小、重量轻。体积和质量的减小，提高了系统的谐振频率、 缩短了器件和系统的响应时间，而且小尺寸使器件和系统适合用于某些特定场 2 第一章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 合，如插管手术、卫星和航空航天等；( 2 ) 功能集成化，采用微加工技术可以将 不同功能、不同敏感方向和致动方向的多个传感器和执行器集成于一体，形成微 传感器和微执行器阵列，甚至可以把多种器件集成在一起形成更为复杂、功能更 强的器件和系统，研制出以前无法实现的新型器件和系统。( 3 ) i c 集成化，将微 传感器和微执行器与i c 电路集成在一块芯片上，成为高灵敏度、低噪音干扰、 低能耗、高可靠性和高稳定性的智能化单片s o c 系统，如智能气体工作站等。 1 3 基于m e m s 技术的微小力传感器 综合调研近年来国内外研究机构在微小力测量方面的研究对象及其取得的 成果，不难发现基于m e m s 技术的微小力传感器已经成为国内外微小力传感器 的研究重点和微小力测量发展的必然趋势。国内外很多研究机构均采m e m s 微 小力传感器在微小力测量方面取得了突破性进展，这些传感器在生物微操作、航 空航天、微操作微加工、国防、工业等各个领域起着不可替代的作用。 基于m e m s 技术的微小力传感器通常具有以下几个明显的特征【l l 】：( 1 ) 传感 器本身的尺寸为微米或者毫米量级，能够满足在微尺度环境下工作的要求；( 2 ) 分辨率和灵敏度高，能够测量m n - n n 量级的微小力；( 3 ) 采用m e m s 技术批量 制备，成本低，价格便宜。 根据传感器的工作原理，m e m s 微小力传感器主要有压阻式、电容式、压电 式和隧道效应式四种形式。其中压阻式力传感器研究最多、最为成熟，电容式和 压电式次之，隧道效应式力由于制备工艺复杂，相关的研究很少。 1 3 1 国外m e m s 微小力传感器的研究现状 1 4 1 1 微操作m e m s 微小力传感器 随着微米纳米技术的迅速发展，人们的研究对象日益微小化，尺度范围在 1 姗以下的微操作越来越多，因此迫切需要研制出能够完成微操作、装配、封 装作业的机器人系统。在微操作过程中，力觉信息与视觉信息的融合能够将更加 精确、全面、实时的工作状态反馈给微操作机器人，因此，微小力传感器是准确 完成微操作的关键。 2 0 0 7 年匈牙利科学院的m a7 r i aa d a7 m 等人采用多孔硅体加工的方式制做出 了一片可以应用于工业和外科手术微操作机器人上的微小力传感器阵列【1 2 】，这种 传感器阵列集成了8x8 个三维压阻式微小力敏感单元，每个敏感单元的输出信 号可以通过片上集成的c m o s 解码器逐行读出。传感器阵列的结构如图1 - 1 所 示，它将解码电路、电流发生器、传输门等电路与敏感单元集成在了一块芯片上。 第章m e m s 压阻式三维撒触觉力传感器 圈1 - 1 传感器阵列结构 敏感单元的结构如图1 - 2 所示，它的中心质量块通过四根敏感粱悬挂在凹槽 上每根敏感粱上宙有一个通过恒定电流信号的压敏电阻。当对中心质量块施加 外力作用时，由于它的刚度比敏感粱大得多，所以变形主要发生在敏感粱上。敏 感梁的变形会导致粱上压敏电阻的阻值发生变化，每个压敏电阻可以作为独立的 应变计输出与外力矢量信号相关的电压信号通过敏感单元输出的电压信号即可 以确定被测外力矢量信号。 ， l 口目r | t 。 匿1 正敏感单元的结构 2 0 0 4 年e v a z s o n y i 等人研制出了一种应用于微操作的硅基三维微小力传 感器阵列，传感器阵列通过固定在p c b 载板上的方法实现与外部电路的接口， 传感器阵列敏感单元的截面结= 句图如图卜3 所示，当传感器受到外力作用时加 载到测杆上的力矢量的变化会导致压敏电阻的阻值发生变化，而与压敏电阻对应 的参考电阻被放置在非变形框的背面膜上，不受外力影响。单晶硅的结构保证了 第一毒m e m s 压阻式三维镦触赏力传感器 加载的力矢量能够很好的传输到敏感单元上。 图1 4 传感器电阻拌布图 敏感单元的显微结构如图l 一5 所示， 为0 2 n ，输出灵敏度为36 8 m v v n 它的尺寸犬小为2 m m x 2 m m 测量范围 并且它的输入输出的线性特性良好。 第一章m e m s 压阻式三维教触觉力传感器 图1 - 5 传感嚣敏感单元显撤结构图 2 0 0 4 年，意大利微工程研究中心的l u c i ab e , e e a i 等人开发出了一种硅基三维 压阻式微小力传感器i l ，它的结构如图i 一6 所示。传感器由载片和感片共同组成， 载片的主要作用是为感片提供刚性支撑及信号处理电路，并且可以方便传感器的 固定。由于传感器可以分为感片和载片，所以它的配置具有高度的灵活性，通过 改变载片就可以在传感器上集成不同的信号处理电路，只需简单的重新组装，就 能得到适用于不同场合的传感器，从而省去了繁冗的设计和加工过程。 传感器的输出线性度高选9 9 ，测量范围为0 2 n ，尺寸大小为 23 r a m 23 m m x l3 r a m 。这种传感器可咀用在候肢上，用于测量人体和假肢之间 接触力的大小，近而优化假肢的结构，使截肢病人更加舒适。除此之外，该传感 器还可以用在人造手臂和微操作等方面。 图1 6 传感器结构图 l 1 0 生物力学m e m s 微小力传感器 在生物力学量检测实验中，通常使用高精度微小力传感器对待测量进行测 量，而这种传感器通常是基于m e m s 微加工工艺加工出来的的。目前，生物 第一章m e m s 压阻武三维镟触觉力传感器 m e m s 微小力传感器已经在生物力学量检测实验中得到了越来越广泛的应用。 2 0 0 6 年美国伊利诺伊大学u r b a n a c h a m p a i g n 分校的科学家为了研究单 个活细胞对压痕力的反应研究出一种生物m e m s 微小力传感器【i ”，这种传感嚣 由纯净的单晶硅材料制成，分为一维力传感器和二维力传感器两种。其中一维力 传感器只能检测x 方向压痕力的大小其结构如图1 7 所示，它主要由探针和弹 性粱组成。探针的主要作用是对细胞施加压痕力的作用，而弹性粱主要用于检测 细胞反作用力的大小，弹性梁的变形量j 为测量点与参考点在x 方向的相对位 移量大小，这时细胞的反作用力大小可以通过公式f = t 占计算出来，其中，k 是 两根弹性粱的弹性系数，大小为s9 n n u m 。 f 叶叮 熟 z 期 乓罗“硪l 二维力传感器可以用于检测细胞在x 和y 两个方向的压痕力大小。传感器 的结构如图1 8 所示，当探针受到细胞压痕力作用时，它会同时在x 、y 两个方 向发生位移，若弹性粱在x 方向和y 方向的弹性挠度( 即测量点相对参考点在x 方向和y 方向的位移) 分别为和。则细胞在x 、y 方向的反作用力分量可以 通过下面的方程得到： 第一章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 阱哥 6 3 鱼 l 2 以上方程中，e 和，分别为弹性梁的杨氏模量和转动惯景；厶和厶分别为弹 性粱和目性测轩的长度，其中= l m m ，岛= 0 4 2 9 m m 。 图1 - 8 二维传感器结构图 1 3 2 国内m e m s 微小力传感器的研究现状 与国外相比我国在微小力传感器研究方面起步较晚，研究水平与国外发达 国家相比还存在着一定差距。近年来，随着国家的重视与大力支持，研究队伍不 断壮大，研究成果在生物微操作、航空航天、微操作馓加工、国防、工业等各 个领域起着不可替代的作用，大大推动了我国现代化建设进程 。 2 0 0 7 年，浙江大学采用硅基应变计设计出了一种可用于精密微装配作业过程 中微接触力检铡的三维微小力传感器，】，该传感器的结构如图i - 9 所示。它采用 硅基连接成正方形的半悬臂粱结构；每根硅片的正反面均采用l i g a 光刻工艺集 成应变片( 压敏电阻h 硅片正反面的应变片连接成h 桥，并与外部的信号处理电 路相连。传感器采用恒流源驱动，输出信号为差分信号。当外力作用时，硅粱两 个侧面的应变片分别受到挤压和拉伸产生应变位移，导致h 桥应变电阻发生 改变并输出微变电压，根据标定的换算关系可以实现对微小作用力的测量。 该传感器在3 个方向上的分辨力均为o0 0 1 n ，测量精度可选0 0 0 5 n ，测量 范嗣为_ 05 n 一十o5 n 。 垒k 勘， 第章m e m s 压阻式三维微触觉力传癌器 亟。掇 i i ) i t 力转9 ) 传精栩示霜 图1 - 9 三蛙微小力传癣器结构图 2 0 0 7 年，南京航空航天大学研制出一种用于铡量壁虎爬行时脚掌与接触面间 三维微接触力的传感器【1 q 。该传感器的结构如图1 1 0 所示，它主要由金属弹性 体( 硬铝台金) 以及弹性体上的金属应变片组成。弹性体整体成倒t 型结构，为了 减小传感器重量对测量结果的影响，在垂直粱的上部设计了一个腰形孔，下部有 两个在空间上相互垂直的h 型通孔。水平粱上有两个h 型通孔两孔相对于垂直 粱的中心线对称。弹性体上a 、b 、c 三处各贴有一组金属应变片，分别用于 测量被测力的三个分量( c 、只、f ) 。该传感器三个方向量程均为15 _ v ， 分辨力达到3 r a n 。 图1 i o 传瞎嚣结构鬻 中国科学院合肥智能仪器研究所在研制传感器方面处于国内领先水平，该所 与香港中文大学合作基于m e m s 微加工工艺研制出了一种大量程的三维徽触觉 传感器阵列1 ，其实物图如图1 1 1 所示。它由3 2 个硅材料的敏感单元组成，敏 譬区的面积为1 6 r a m x 3 2 r a m 。每个敏感单元的大小仅仅为4 m m x 4 m m 。 第一章m e m s 压阻式三维微触觉力传感嚣 图1 - 1 i 传感器阵列 传感器阵列敏感单元的结构如图l 1 2 所示，它能够承受的z 方向最大载荷 是为5 n ，x 方向和y 方向均为1 。当作用在一个敏感单元上的载荷超过极限 值时，超载部分会被自动地转移到其它相邻的敏感单元上。对于整个传感器阵列 而言，它能够同时检测三个方向上力分量的大小、位置和方向，z 方向能承受的 最大力为5 0 n x 方向和y 方向均为i o n 。 图1 1 2 敏感单元结构图 第一章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 1 4 论文完成的主要工作 随着微操作微加工、生物医学工程、精密测量等学科的发展，微尺度环境下 的微小力测量受到了研究人员越来越广泛的关注。微尺度环境下的微小力测量存 在着两个共同特点：( 1 ) 受测量环境和测量空间的限制，对力传感器和测量系统 提出了微型化的要求；( 2 ) 待测量的值较小，对传感器的测量分辨率和测量精度 提出了很高的要求。传统意义上的测量仪器已经不能满足上述要求，比如商业上 的高精度力测量仪器虽然在测量分辨率和测量精度上可以满足上述要求，但是仪 器本身体积庞大，操作复杂，远远达不到微型化的要求。因此开发一种小体积、 高精度的微小力传感器，并以此为基础，构建出一套体积小、精度高、操作方便 的微小力测量系统，解决微尺度环境下的微小力测量问题是十分必要的。 针对微尺度环境下的微小力测量需求，论文开发了一种m e m s 压阻式三维 微触觉力传感器，对传感器的力学特性进行了标定，构建出了一套三维微小力测 量系统，设计了微小力测量实验装置，对m e m s 压阻式三维微触觉力传感器及 以其为核心构建的三维微小力测量系统进行了实验验证，具体工作包括： 1 讨论了传感器的工作原理，建立了传感器的力学模型，对压敏电阻的排布 位置、尺寸、阻值和连接方式等进行了分析，完成了传感器的结构设计，采用 m e m s 硅微加工工艺和超精密机械加工工艺加工制备出了传感器敏感单元和测 杆等关键元件，并对传感器进行了装配和封装。 2 采用基于悬臂梁弯曲变形原理获得了标准微小力信号，分析了标定误差的 主要来源及其补偿方法，搭建了传感器力特性标定系统、悬臂梁弹性系数标定系 统及传感器测杆位移特性系数标定系统等实验装置，对传感器的力特性进行了标 定，建立了传感器的力特性方程。 3 针对微小空间内微小力测量的需求，基于m e m s 压阻式三维微触觉力传 感器，设计调试了以m s p 4 3 0 单片机为控制核心，包含压阻信号的调理、采集、 显示和传输等功能的硬件电路，编写了单片机和上位机的软件程序，构建出了一 套三维微小力测量系统。 4 搭建了基于高精度电子天平的微小力测量实验装置，利用构建的三维微小 力测量系统，进行了三维微小力测量实验，实验结果表明，本论文所开发的m e m s 压阻式三维微触觉力传感器及以其为核心构建的三维微小力测量系统能够满足 微小空间内微小力测量的需求。 5 分析和总结了m e m s 压阻式三维微触觉力传感器和三维微小力测量系统 的缺陷和局限性，为进一步的研究工作指出了方向。 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传摩器 随着m e m s 技术的迅速发展及微操作微加工、生物医学工程和精密测量等 领域提出的应用需求，基于m e m s 技术的多维高精度微小力传感器近年来得到 了越来越广泛的关注，这类传感嚣以其特有的高精度、小体积和低造价等优点获 得了大家的认可。本章首先阐述了一种m e m s 压阻式三微触觉力传感器的工作 原理和整体结构，然后建立了该传感器的力学模型，结合压阻检测理论完成了压 敏电阻的排布位置、阻值和电阻条尺寸等参数的设计，最后制定了传感器的加工 工艺流程，完成了传感器关键单元的的加工以及传感嚣的整体装配和封装。 2 1 传感器的工作原理 2 1 1 传盛器的结构 论文中所采用的m e m s 压阻式三维微触觉力传感器的结构如图2 1 所示【2 0 】， 传感器主要由测杆( h2 ) 和敏感单元( 3 、4 、5 ) 组成，传感器是基于半导体压阻效 应进行工作的。这种结构的传感器具备较高的灵敏度和较小的输出耦合，并且它 的加工的难度很低。 圈2 一l 传感器结构：i 测端2 铡杆3 中心连接体4 敏感粱5 井框架 第二章m e m s 压照式三维微触觉力传感器 2 1 2 传感帚的检测原理 当外力作用在传感嚣的铡杆上时，它沿轴向的力分量会使铡杆和中心连接体 沿着轴向发生移动，因为测杆采用较硬的材料制成，同时中心连接体的厚度较大， 而且移动的位移报小，所以可以认为所有的负载都传递到了传感器的敏感粱上， 并造成了相应敏感粱的变形，如国2 2 ( a ) 所示。敏感粱的变形会导致梁上压敏 电阻的阻值发生变化，最终体现为传感器输出电压的变化，而这个输出电压与被 测力分量之间存在着线性的对应关系，根据标定换算关系，即可以实现该被测力 轴向分量的测量。与轴向力分量的测量原理相同，外力沿横向的分量会使中心连 接体和测杆发生垂直铡杆方向的转动，并造成相应敏感粱的弯曲变形如圈2 - 2 ( b ) 所示，从而实现横向力分量的测量。 ( 町轴向负载巾) 横向负载 图2 - 2 估感器受力示意图 2 2 传感毒的力学横型夏受力分析m i 为了简化计算，传感器的力学模型需要建立在一些理想的条件下，但是所有 忽略的条件和因素在设计和加工中都可以再做进一步的补偿。模型建立的主要条 件有：( 1 ) 需要假设传感器脒敏感梁之外的部件都是剐体，粱的位移和转动都需 要非常小，以确保在标准弹性理论应用范围内。( 2 ) 忽略热变形及外界环境的影 响。( 3 ) 忽略测杆和中心连接体的质量。( 4 ) 如果梁的有效长度在负载作用下发生 根细微的变化，需要忽略这个变化对模型的影响。 2 2 1 传感器的轴向力学模型 当传感器受到轴向负载的作用时，敏感粱的变形如图2 3 所示铡杆会沿z 方 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 向有一个形变吐，同时，中心连接体和梁的连接处会产生形变4 ，在理想情况 下，由于除梁之外的部分均为刚体，所以可以认为农= 喀。 图2 3 传感器轴向受力模型 为了简化力学模型，只对其中一个敏感梁进行分析，若作用在传感器测杆上 的力为f ，则作用在单一敏感梁上力的大小为p = f 4 。单一敏感梁受力模型如 图2 4 所示。 图2 _ 4 单一敏感梁轴向受力模型 若定义以为敏感梁的横截面对其中性轴的惯性矩，则有： 以= 等 ( 2 1 ) 式2 1 中，6 l 和| j 1 1 分别为传感器中敏感梁的宽度和厚度。 按照结构矩阵分析理论，若为敏感梁的长度，可以得到梁的挠度方程为： y ( 加吉茜a i l 刖p ，x 3 ；( 钏 ( 2 2 ) 1 4 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 其中，m = h ，所以梁上x = ，i 处一点的挠度吐为： p ，3 喀= y ( f 1 ) = 衰 ( 2 3 ) 3 b j c 对于传感器的整体结构来说，它的轴向刚度为： k - 旦：掣( 2 4 ) d i z ； 。 由式2 4 可以看出，在轴向负载的作用下，对传感器的轴向刚度有影响的参 数只有敏感梁的的尺寸，传感器的轴向刚度与敏感梁的宽度和厚度成正比，与长 度成反比。对于特定的传感器而言，由于敏感梁的尺寸已经确定，所以传感器的 轴向刚度是定值，测杆沿轴向的位移谚与传感器的轴向受力f 成正比。 此外，还可以通过数学物理方程的方法得出以下结论：敏感梁上应力的最大 值出现在x = 0 和x = 处；传感器的应力检测灵敏度只与敏感梁的厚度和长度有 关，与厚度成正比，与长度成反比；传感器的其它结构参数与应力检测的灵敏度 没有关系，但是会影响沿梁方向应力分布的线性和均匀性。这些结构参数在传感 器的结构设计过程中都进行了优化。 2 2 2 传感器的横向力学模型 传感器受到横向负载时，敏感梁的变形如图2 - 5 所示，除了轴向力学模型中 提出的几点假设外，还需要做与横向负载下受力和力矩作用相关的其它假设。 图2 5 传感器横向受力模型 通过图2 5 所示的传感器横向受力模型可以看出，在横向负载的作用下，测 杆和中心连接体会绕传感器的底面中心发生转动，x 方向的两个梁相应地会发生 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 弯曲，不过弯曲的趋势相反。模型中定义弹性梁的尺寸为毛玩，之是测杆长 度，是中心连接体厚度，瞑是测杆转动角度，毋是中心连接体转动角度，2 w 是 中心连接体宽度，d 。是测杆位移，4 是中心连接体的z 向位移，则测杆的有效距 离为，= + 。 因为横向位移约束与测杆相比很小，造成偏角绣t a n 只挚，因为有 z j 鲁哮 亿5 ， w 所以最谚，同时忽略沿y 方向的两个敏感梁的受力和变形。测杆受到一个x 方向的力f 时，中心连接体绕y 发生转动并在x 方向产生微小位移。由于敏感梁的 长度比它的厚度要大两个数量级以上，所以，在一定的范围内，传感器的中心连 接体在x 方向的位移比z 向位移相比小得多。可以认为，只在x 轴方向负载的作用 下，中心连接体只发生沿着y 方向的转动，而不发生沿着x 方向的横向移动。 在x 方向负载的作用下，由于忽略了y 方向上两个敏感梁的受力和变形，所 以只有x 方向的两个梁发生变形，但是两个梁沿z 方向变形量的方向相反。中心 连接体作用在x 方向单个悬臂梁上的力矩大小为f x l l 2 ，这个力矩直接导致了梁 的变形，并在梁和中心连接体的连接处产生了力矩m 和压力p 。单一敏感梁受力 模型如图2 6 所示。梁的边缘沿z 方向的位移为4 ，与x 轴成倪角转动。 图2 - 6 单一敏感梁横向受力模型 由于中心连接体受力平衡，所以可以得到以下方程： f 1 1 2 = m + + m 。( 2 6 ) 式2 6 中扭转力矩坂= q 鹾最 其中，为截面边长比系数，由于敏感梁f 6 口1 0 ，所以f l = l 3 ，g 为硅 的剪切模量，只= 毋厶= 鲁为单位长度扭转角。 1 根据刚度系数： 1 6 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 毛：_ 12 e 广i v ：e t ，i ，w b ( 2 7 ) 毛。下2 ，3 ，) 包= 等b = 警b ( 2 8 ) 毛= 孚= 簪 亿9 ， 心= 等b = 警 仁m 厶6 其中毛为力产生的位移变化对应的刚度系数，k 2 为力矩产生的位移变化对应 的刚度系数，恕为力矩产生转动对应的刚度系数，屯为力产生转动对应的刚度 系数。 可以得到： f i 2 = ( 毛喀h + 如喀+ 屯谚+ 屯只w + m 。) ( 2 1 1 ) 又因为喀= 谚- w ，岛= 屯，所以有： f 1 1 2 = ( 墨喀w + 2 乞4 + 毛只+ m 。) ( 2 1 2 ) 同时，瞑= 粤，t = 争咋，可以得到传感器在x 方向上的刚度为： k 圳纠旁 嘭+ 詈+ 扣爿g 由于传感器是中心对称结构，所以y 方向上的刚度与x 方向相同。不难看 出，在横向负载的作用下，对传感器的横向刚度有影响的因素包括敏感梁的尺寸 参数、测杆的长度和中心连接体的高度、以及中心连接体下表面的边长。对于特 定的传感器来说，这些尺寸均为定值，所以传感器的横向刚度为定值。此外，通 过数学物理方程分析方法可以得出以下结论：传感器结构的很多参数对敏感梁的 检测灵敏度造成了影响，应力检测的灵敏度与梁的宽度无关与它的厚度成线性关 系，与测杆的长度成简单的倒数关系，与梁的长度和中心连接体厚度的关系比较 复杂。这些参数在传感器设计的过程中都进行了优化。 2 3 传感器的结构设计 2 3 1 半导体压阻效应 所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化， 使其电阻率发生变化的现象。它是c s 史密斯在1 9 5 4 年对硅和锗的电阻率与应 力变化特性测试中发现的【2 2 1 。压阻效应的强弱可以用压阻系数万来表征。在弹性 范围内，压阻效应是可逆的。 第二章m e m s 压阻式三维微触觉力传感器 对于特定的半导体材料，如果它的电阻率为p ，长度为，横截面积为s ， 则该半导体材料的电阻为： r = p l s( 2 1 4 ) 对式2 1 4 进行微分后可得： 一dr=尘-i哪-rt 9 伽浮 一= 一i + f z 一 iz_1- 、 ， 、 其中为泊松比，即为横向线度的相对缩小和纵向线度的相对伸长之间的固 定比例。又因为坐：刀猡，应力盯可以表示为仃：e 6 ，e 为杨氏模量，占为应变 p 量，从而： 譬= l t r + ( 1 + 2 t ) 孚：( 加+ 1 + 2 弦 ( 2 1 6 ) 尺 、 7 ， 、 半导体压阻系数l = ( 4 0 8 0 ) x 1 0 卅1 m 2 n ，弹性模量e = 1 6 7 x 1 0 1 1 p a ，所以 施的值远大于l + 2 t ，k = n e + l + 2 t n e = 5 0 1 0 0 。因此硅压阻式传感器的 灵敏度系数远远大于金属应变片的灵敏度系数。在弹性变形范围内硅的压阻效应 是可逆的，即在应力作用下硅的电阻值发生变化，而当应力去除后硅电阻又恢复 到原来的阻值。 2 3 2 压敏电阻的位置排布 传感器的设计过程中，压敏电阻的排布是其中的一个重要环节。压敏电阻的 排布过程中，需要考虑的很重要的一点是敏感梁的应力分布状况，为了获得最好 的检测效果，最好将压敏电阻排布在应力相对集中的区域。通过有限元分析仿真 的方法可以获得传感器受到轴向外力