CN101059381A - 压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置属于传感器与测试技术领域，适用于压电薄膜悬臂梁式微力传感器的静态和准静态测试和标定。微力加载装置由一维微位移台、二维微位移台、压电双晶片微力发生器及减震装置组成。一维微位移台由X轴分厘卡组件、一维微位移台底座组成。二维微位移台由Y轴分厘卡组件、Z轴分厘卡组件、二维微位移台底座、支板和内六角螺钉组成。压电双晶片微力发生器III由微探针、固定块、两片压电陶瓷片、铝制金属片、夹片、内六角螺钉组成。结构简单可靠，而且操作方便。提高了微小力加载系统的分辨率，解决了微牛顿量级力加载的不稳定性和控制难的问题。

Description

压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置

技术领域

本发明属于传感器与测试技术领域，特别涉及压电薄膜悬臂梁式微力传感器的静态和准静态测试和标定。

背景技术

压电薄膜悬臂梁式微力传感器是基于MEMS技术的一种新型传感器，已广泛应用于扫描力显微镜等精密测试仪器中。为了检测力传感器是否达到所要求的技术性能指标，在使用力传感器之前，必须在技术和性能上对其进行一次全面的检验，即动静态标定。目前，采用垂直加载法对悬臂梁式微力传感器进行静态和准静态标定的系统中，其微小力一般是由质量块或弹簧施加在金属针尖上，然后通过机械导轨保持力的方向垂直于样品表面。这两种力的加载方式，力的大小在0-20N，对于分辨率为微牛顿量级的微小力，其加载系统存在以下几方面缺点：由于机械加载装置存在附加力等难以消除的因素，增加了加载力的不稳定性和控制难度；这些加载装置对加载力的精度要求较低，限制了压电薄膜悬臂梁式微力传感器在微牛顿量级力的标定。

发明内容

本发明的目的是发明一种简易可靠的微小力加载装置，规避了上述力加载装置中存在的缺点，提高了微小力加载系统的分辨率。利用微米量级分厘卡分别在X轴、Y轴和Z轴方向上，精确地控制微探针在待测压电薄膜悬臂梁式微力传感器上的加载位置；采用压电陶瓷驱动电源激励带微探针的压电陶瓷片，利用压电材料的逆压电效应产生竖直方向的微位移，微探针将微位移传递到待测压电薄膜悬臂梁式微力传感器上，实现微小力的加载，进而对微小力进行标定。整个微小力的加载装置采用加载部分刚性结构，利用微位移实现微小力的传递，并完成微牛顿量级力的加载。解决了微牛顿量级力加载的不稳定性和控制难的问题。

本发明采用的技术方案是一种压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置，由一维微位移台I，二维微位移台II，压电双晶片微力发生器III及减震装置IV组成；一维微位移台I由X轴分厘卡组件、一维微位移台底座6组成，其中，X轴分厘卡组件由X轴分厘卡旋钮1、X轴分厘卡内刻度套筒2、内六角螺钉3、X向线性滑块4、X轴分厘卡主轴5组成，带有外刻度的X轴分厘卡旋钮1与X轴分厘卡主轴5的一端螺纹连接，X轴分厘卡旋钮1与X轴分厘卡内刻度套筒2间隙配合，X轴分厘卡内刻度套筒2与带导套的X向线性滑块4过盈配合，并由内六角螺钉3固定在X向线性滑块4的导套上，一维微位移台底座6形状为直角型，水平底面是导轨面，与X向线性滑块4的底导轨面相配合，一维微位移台底座6的垂直面为Z向平面，通过4个内六角螺钉7固接在二维微位移台底座18的右平面上，在一维微位移台底座6内腔中装有弹簧30，弹簧30一端固定在一维微位移台底座6内腔中，另一端与X向线性滑块4固接；

二维微位移台II由Y轴分厘卡组件、Z轴分厘卡组件、二维微位移台底座18、支板19和内六角螺钉20组成，其中，Y轴分厘卡组件由Y轴分厘卡旋钮8、Y轴分厘卡内刻度套筒9、内六角螺钉10、Y向线性滑块11、Y轴分厘卡主轴12组成，带有外刻度的Y轴分厘卡旋钮8上与Y轴分厘卡主轴12一端螺纹连接，Y轴分厘卡旋钮8与Y轴分厘卡内刻度套筒9间隙配合，Y轴分厘卡内刻度套筒9与带导套的Y向线性滑块11过盈配合，并由内六角螺钉10固定在Y向线性滑块11的导套上；Z轴分厘卡组件由Z轴分厘卡旋钮13、Z轴分厘卡内刻度套筒14、内六角螺钉15、Z向线性滑块16、Z轴分厘卡主轴17组成，带有外刻度的Z轴分厘卡旋钮13与Z轴分厘卡主轴17一端螺纹连接，Z轴分厘卡旋钮13与Z轴分厘卡内刻度套筒14间隙配合，Z轴分厘卡内刻度套筒14与带导套的Z向线性滑块16过盈配合，并由内六角螺钉15固定在Z向线性滑块16的导套上；二维微位移台底座18形状为正方形，水平方向为Y轴，垂直方向为Z轴，二维微位移台底座18水平底面和垂直面均为导轨面，分别与Y向线性滑块11和Z向线性滑块16的导轨面向配合；在二维微位移台底座18的内腔中沿水平方向和垂直方向分别装有弹簧31和弹簧32，弹簧31和弹簧32的一端分别固定在二维微位移台底座18的内腔中，弹簧31的另一端与Y向线性滑块11固接，弹簧32的另一端与Z向线性滑块16固接，二维微位移台底座18与支板19由内六角螺钉20固接；

压电双晶片微力发生器III由微探针21、固定块22、两片压电陶瓷片23、铝制金属片24、夹片25、内六角螺钉26组成，其中，铝制金属片24被夹在两个矩形压电陶瓷片23中间，并通过粘合剂粘接，探针21通过粘合剂安装在固定块22的中心位置，固定块22通过粘合剂粘接在压电陶瓷片23的一端，用夹片25夹持压电双晶片微力发生器III远离探针21的一端，并通过内六角螺钉26将压电双晶片微力发生器III安装在一维位移台底座6的底平面上；两片压电陶瓷片23共同引出一个电极A，铝制金属片24引出另一个电极B；

减震装置IV由压电薄膜悬臂梁式微力传感器27，载物台28和减震平台29组成，在减震平台29上固定有载物台28，在载物台28上安装有压电薄膜悬臂梁式微力传感器27，压电薄膜悬臂梁式微力传感器27自由端与微探针21对准。

本发明的效果是用X轴、Y轴和Z轴驱动分厘卡分别对微探针在待测悬臂梁式微力传感器上的位置和接触程度进行手动宏动控制，很好地控制了预载荷力，从而扩大测量和标定范围；采用压电陶瓷片对微探针进行电控微动，微小力加载精度高，可以达到微牛顿量级，提高了压电薄膜悬臂梁式微力传感器的标定精度；手动调节和电控方式相结合，配合必要的测量仪器和支撑装置，即可以实现压电薄膜悬臂梁式微力传感器在静态和准静态下的标定，结构简单可靠，而且操作方便。

附图说明：

附图1为压电薄膜悬臂梁式微力传感器微力加载装置主视图。

附图2为压电薄膜悬臂梁式微力传感器微力加载装置俯视图。

附图3为压电薄膜悬臂梁式微力传感器微力加载装置右视图。

附图4为压电双晶片微力发生器III结构放大图。

其中，1-X轴分厘卡旋钮，2-X轴分厘卡内刻度套筒，3-内六角螺钉，4-X向线性滑块，5-X轴分厘卡主轴，6-一维微位移台底座，7-内六角螺钉，8-Y轴分厘卡旋钮，9-Y轴分厘卡内刻度套筒，10-内六角螺钉，11-Y向线性滑块，12-Y轴分厘卡主轴，13-Z轴分厘卡旋钮，14-Z轴分厘卡内刻度套筒，15-内六角螺钉，16-Z向线性滑块，17-Z轴分厘卡主轴，18-二维微位移台底座，19-支板，20-内六角螺钉，21-微探针，22-固定块，23-压电陶瓷片，24-铝制金属片，25-夹片，26-内六角螺钉，27-压电薄膜悬臂梁式微力传感器，28-载物台，29-减震平台，30-弹簧，31-弹簧，32-弹簧，A-电极A，B-电极B，I-一维微位移台，II-二维微位移台，III-压电双晶片微力发生器，IV-减震装置，X-X方向坐标轴，Y-Y方向坐标轴，Z-Z方向坐标轴。

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本发明的实施。首先，利用体硅加工工艺和表面加工技术加工压电薄膜悬臂梁式微力传感器27。将悬臂梁式微力传感器27固定在载物台28上，再将载物台28置于减震平台29上待测。测量和标定时，将所有的器件整合后固定在减震平台29上，用防风罩罩住所有装置和器件。

这种用于压电薄膜悬臂梁式微力传感器标定的微力加载装置，适宜在23℃的恒温环境的超净间工作。首先在正方形固定块22中心位置钻直径为1mm的盲孔，用粘合剂将微探针21固定在盲孔中；待微探针21固定好后，将带微探针21的固定块22，用粘合剂固定在压电陶瓷片23非电极引出端，固定处位于压电陶瓷片23非电极引出端大约5mm处的中央位置；待固定块22在压电陶瓷片23上固定好后，用夹片25夹持带微探针21的压电陶瓷片23，并通过4个内六角螺钉26固定在一维微位移台底座6上；电极A和电极B通过导线引出，并与压电陶瓷驱动电源相连，实现电压激励，使用前，压电双晶片微力发生器III需要进行标定。在进行静态和准静态标定前，将利用压电材料的压电效应产生竖直方向的微位移，微探针21将微位移传递到待测压电薄膜悬臂梁式微力传感器27上，实现微小力的加载，进而对微小力进行测试及标定。整个微小力的加载装置采用加载部分刚性结构，利用微位移实现微小力的传递，并完成微牛顿量级力的加载。整套装置固定在减震平台29上，然后进行微探针21和测压电薄膜悬臂梁式微力传感器27的定位和标定。

加载时，调节X轴分厘卡旋钮1驱动X向线性滑块4在一维微位移台底座6中的导轨面上沿X方向移动，再分别调节Y轴分厘卡旋钮8和Z轴分厘卡旋钮13，分别驱动Y向线性滑块和Z向线性滑块16在二维微位移台底座18中的导轨面上分别沿Y和Z方向移动，使微探针21到达压电薄膜悬臂梁式微力传感器27的正上方，使针尖正对加载点处，再调节Z轴分厘卡旋钮13，使微探针21与待测压电薄膜悬臂梁式微力传感器27刚刚接触。然后根据测试和标定的需要，通过电极A和电极B，由陶瓷驱动电源对已标定好的压电双晶片微力发生器III施加直流或交流激励电压，通过加载部分刚性结构，利用微位移实现微小力的传递，并完成微牛顿量级力的加载，进而对压电薄膜悬臂梁式微力传感器27进行静态和准静态的标定。

Claims (1)

1、一种压电薄膜悬臂梁式微力传感器的微力加载装置，由一维微位移台(I)，二维微位移台(II)，压电双晶片微力发生器(III)及减震装置(IV)组成；其特征是，一维微位移台(I)由X轴分厘卡组件、一维微位移台底座(6)组成，其中，X轴分厘卡组件由X轴分厘卡旋钮(1)、X轴分厘卡内刻度套筒(2)、内六角螺钉(3)、X向线性滑块(4)、X轴分厘卡主轴(5)组成，带有外刻度的X轴分厘卡旋钮(1)与X轴分厘卡主轴(5)的一端螺纹连接，X轴分厘卡旋钮(1)与X轴分厘卡内刻度套筒(2)间隙配合，X轴分厘卡内刻度套筒(2)与带导套的X向线性滑块(4)过盈配合，并由内六角螺钉(3)固定在X向线性滑块(4)的导套上，一维微位移台底座(6)形状为直角型，水平底面是导轨面，与X向线性滑块(4)的底导轨面相配合，一维微位移台底座(6)的垂直面为Z向平面，通过4个内六角螺钉(7)固接在二维微位移台底座(18)的右平面上，在一维微位移台底座(6)内腔中装有弹簧(30)，弹簧(30)一端固定在一维微位移台底座(6)内腔中，另一端与X向线性滑块(4)固接；

二维微位移台(II)由Y轴分厘卡组件、Z轴分厘卡组件、二维微位移台底座(18)、支板(19)和内六角螺钉(20)组成，其中，Y轴分厘卡组件由Y轴分厘卡旋钮(8)、Y轴分厘卡内刻度套筒(9)、内六角螺钉(10)、Y向线性滑块(11)、Y轴分厘卡主轴(12)组成，带有外刻度的Y轴分厘卡旋钮(8)上与Y轴分厘卡主轴(12)一端螺纹连接，Y轴分厘卡旋钮(8)与Y轴分厘卡内刻度套筒(9)间隙配合，Y轴分厘卡内刻度套筒(9)与带导套的Y向线性滑块(11)过盈配合，并由内六角螺钉(10)固定在Y向线性滑块(11)的导套上；Z轴分厘卡组件由Z轴分厘卡旋钮(13)、Z轴分厘卡内刻度套筒(14)、内六角螺钉(15)、Z向线性滑块(16)、Z轴分厘卡主轴(17)组成，带有外刻度的Z轴分厘卡旋钮(13)与Z轴分厘卡主轴(17)一端螺纹连接，Z轴分厘卡旋钮(13)与Z轴分厘卡内刻度套筒(14)间隙配合，Z轴分厘卡内刻度套筒(14)与带导套的Z向线性滑块(16)过盈配合，并由内六角螺钉(15)固定在Z向线性滑块(16)的导套上；二维微位移台底座(18)形状为正方形，水平方向为Y轴，垂直方向为Z轴，二维微位移台底座(18)的底面在水平和垂直方向均为导轨面，分别与Y向线性滑块(11)和Z向线性滑块(16)的导轨面向配合；在二维微位移台底座(18)的内腔中沿水平方向和垂直方向分别装有弹簧(31)和弹簧(32)，弹簧(31)和弹簧(32)的一端分别固定在二维微位移台底座(18)的内腔中，弹簧(31)的另一端与Y向线性滑块(11)固接，弹簧(32)的另一端与Z向线性滑块(16)固接，二维微位移台底座(18)与支板(19)由内六角螺钉(20)连接；

压电双晶片微力发生器(III)由微探针(21)、固定块(22)、两片压电陶瓷片(23)、铝制金属片(24)、夹片(25)、内六角螺钉(26)组成，其中，铝制金属片(24)被夹在两个矩形压电陶瓷片(23)中间，并通过粘合剂粘接，探针(21)通过粘合剂安装在固定块(22)的中心位置，固定块(22)通过粘合剂粘接在压电陶瓷片(23)的一端，用夹片(25)夹持压电双晶片微力发生器III远离探针(21)的一端，并通过内六角螺钉(26)将压电双晶片微力发生器III安装在一维位移台底座(6)的底平面上；两片压电陶瓷片(23)共同引出一个电极(A)，铝制金属片(24)引出另一个电极(B)；

减震装置(IV)由压电薄膜悬臂梁式微力传感器(27)，载物台(28)和减震平台(29)组成，在减震平台(29)上固定有载物台(28)，在载物台(28)上安装有压电薄膜悬臂梁式微力传感器(27)，压电薄膜悬臂梁式微力传感器(27)自由端与微探针(21)对准。

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