MEMS压阻式三维微触觉力传感器的研究

论文摘要

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(MEMS)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MEMS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MEMS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MEMS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MEMS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MSP430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MEMS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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 力传感器
• 1.1.1 力传感器发展概述
• 1.1.2 力传感器的分类及特点
• 1.2 MEMS 技术及其特点
• 1.3 基于MEMS 技术的微小力传感器
• 1.3.1 国外MEMS 微小力传感器的研究现状
• 1.3.2 国内MEMS 微小力传感器的研究现状
• 1.4 论文完成的主要工作
• 第二章 MEMS 压阻式三维微触觉力传感器
• 2.1 传感器的工作原理
• 2.1.1 传感器的结构
• 2.1.2 传感器的检测原理
• 2.2 传感器的力学模型及受力分析
• 2.2.1 传感器的轴向力学模型
• 2.2.2 传感器的横向力学模型
• 2.3 传感器的结构设计
• 2.3.1 半导体压阻效应
• 2.3.2 压敏电阻的位置排布
• 2.3.3 压敏电阻的尺寸计算
• 2.3.4 压敏电阻的连接方式
• 2.3.5 传感器的版图设计
• 2.4 传感器的加工
• 2.4.1 传感器敏感单元的加工
• 2.4.2 传感器测杆的加工
• 2.5 传感器的封装
• 2.6 本章总结
• 第三章 传感器力特性的标定方法与标定系统
• 3.1 传感器力特性的标定原理与标定方法
• 3.1.1 悬臂梁弯曲变形原理
• 3.1.2 传感器的标定方法
• 3.1.3 传感器的力特性方程
• 3.2 传感器力特性的标定系统
• 3.2.1 标定系统的结构
• 3.2.2 标定用悬臂梁的尺寸选择
• 3.3 悬臂梁弹性系数的标定系统
• 3.4 传感器测杆位移特性系数的标定系统
• 3.4.1 标定系统的结构
• 3.4.2 高精度的纳米测量机（NMM）
• 3.5 本章总结
• 第四章 基于MEMS 压阻式三维微触觉力传感器的三维微小力测量系统
• 4.1 三维微小力测量系统的结构
• 4.2 测量系统的硬件电路
• 4.2.1 信号调理电路
• 4.2.2 单片机
• 4.2.3 A/D 转换器
• 4.2.4 LCD 显示模块
• 4.2.5 存储器
• 4.2.6 串口
• 4.3 单片机软件程序
• 4.3.1 主程序设计
• 4.3.2 A/D 转换子序设计
• 4.3.3 LCD 显示子程序框图
• 4.4 上位机软件程序
• 4.4.1 LabVIEW 简介
• 4.4.2 上位机LabVIEW 程序
• 4.5 本章总结
• 第五章 实验结果与分析
• 5.1 传感器力特性标定系统输入—输出特性系数的标定实验
• 5.1.1 传感器X 方向力特性标定系统输入—输出特性系数的标定
• 5.1.2 传感器Y 方向力特性标定系统输入—输出特性系数的标定
• 5.1.3 传感器Z 方向力特性标定系统输入—输出特性系数的标定
• 5.2 悬臂梁弹性系数的标定实验
• 5.3 传感器测杆位移特性系数的标定实验
• 5.4 传感器力特性的标定结果
• 5.5 微小力测量实验
• 5.5.1 微小力测量的实验系统
• 5.5.2 微小力测量的实验结果
• 5.6 本章总结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢