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用于微装配的三维微力传感器的研究

压电与声光 2007年第3期29卷 280-282页

作者：陈海初张蕊华浙江大学流体传动及控制国家重点实验室浙江杭州310027 南昌大学机电工程学院江西南昌330031

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的... 详细信息

采用硅基应变片设计了一种可用于精密微装配作业过程,检测x、y、z方向微接触力的三维微力传感器;经微小改动后,该传感器可成为五维微力传感器。分析了力传感器测量原理,建立其测量模型,并设计了传感器信号放大电路。测试了微力传感器的性能指标,在x、y、z3个方向的微力测量分辨率为0.001 N,测量精度可达0.005 N,测量范围为-0.5^+0.5 N。最后设计了微装配作业控制系统,并利用该传感器实现力位移混合控制,顺利完成了180μm微型轴与200μm微型孔间的精密微装配实验研究。

关键词：微力传感器微装配微力检测微小机器人

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PT/PZT/PT薄膜微力传感器

光学精密工程 2007年第9期15卷 1404-1409页

作者：崔岩孟汉柏王兢石二磊王立鼎大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116023 大连理工大学微纳米技术及系统辽宁省重点实验室辽宁大连116023 大连理工大学电子与信息工程学院辽宁大连116023

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数。结果表明,在PZ... 详细信息

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数。结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981。最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器。在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试。测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系。两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量。

关键词： PT/PZT/PT薄膜微悬臂梁微力传感器

基于硅基PZT微力传感器标定系统的初步研究

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中国机械工程 2005年第z1期16卷 372-374页

作者：崔岩佟建华董维杰王立鼎大连理工大学大连116023 大连理工大学大连116023 大连理工大学大连116023 大连理工大学大连116023

采用双晶片探头和电子天平对PZT微力传感器进行静态力标定,进而利用双晶片探头和电荷放大器对PZT微力传感器进行准静态标定,微小信号检测通过锁相放大器来实现.PZT薄膜在基体Pt/Ti/SiO2/Si上用溶胶-凝胶法制备,然后在600℃下退火.PZT微... 详细信息

采用双晶片探头和电子天平对PZT微力传感器进行静态力标定,进而利用双晶片探头和电荷放大器对PZT微力传感器进行准静态标定,微小信号检测通过锁相放大器来实现.PZT薄膜在基体Pt/Ti/SiO2/Si上用溶胶-凝胶法制备,然后在600℃下退火.PZT微力传感器完全由MEMS体硅加工工艺来实现.

关键词： PZT薄膜微力传感器标定双晶片

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微力传感器系统设计及在AFM中的应用研究

微力传感器系统设计及在AFM中的应用研究

作者：宋志杨大连理工大学

学位级别：硕士

基于测量范德华力制成的原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM),现在已经广泛应用于化学、物理、表面科学等微观领域。压电式传感器和执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点,在精密位移,精密定... 详细信息

基于测量范德华力制成的原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM),现在已经广泛应用于化学、物理、表面科学等微观领域。压电式传感器和执行器具有结构简单、响应速度快、高频适用性强、驱动和处理电路简单等特点,在精密位移,精密定位、声学及力学量的检测等方面已经得到了广泛的应用。压电微悬臂在AFM中的应用是近十年的研究工作,一般用于位移传感、力传感和高速反馈定位。本文研究了基于PZT双片压电悬臂的微力传感器特性,并对该传感器应用于AFM进行了初步探索。为了提取和检测双片梁微弱的压电信号,搭建了基于电荷放大模块与锁相放大模块的微弱信号检测模块,具有体积小、重量轻和使用方便等优点。结合双片压电微悬臂梁在AFM中的实际应用模式,对其进行了机械特性和电学特性的测试测量,包括微悬臂法向弹性系数测量、准静态传感特性分析、静态执行特性测试、执行传感集成的谐频响应特性测试和一阶固有频率检测,并利用压电双晶片对双片梁对样品表面形貌扫描的微力测试进行了模拟,验证了双片结构的压电梁在微力感知与微位移检测方面的适用性。压电陶瓷管扫描器是AFM中的核心器件之一,在AFM工作时完成对样品X、Y方向的扫描,为了精确控制其扫描偏移量,搭建了基于LabVIEW虚拟仪器技术的测试平台,对其X/Y方向的微位移进行了检测,根据等间隔扫描的工作特点,提出简易非线性校正方法,大大降低了位移滞回偏差。研究表明双片结构的PZT压电微悬臂梁由于集成了执行与传感能力,在微力感知与微位移检测方面是适用的。在现有工艺和测量方法的基础上,若继续改善梁尺寸结构提高其电荷位移分辨率,则最终可以代替传统微悬臂应用到AFM系统。

关键词：原子力显微镜微力传感器微悬臂梁压电陶瓷管扫描器

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PT种子层对微力传感器性能的影响

传感技术学报 2008年第3期21卷 461-464页

作者：孟汉柏崔岩王兢陈会林王立鼎大连理工大学微纳米技术及系统辽宁省重点实验室辽宁大连116023 大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁大连116023 大连理工大学电子与信息工程学院辽宁大连116023

为了提高微牛顿量级微力传感器的灵敏度,比较了有PT种子层和无PT种子层的PZT压电薄膜对微力传感器性能的影响。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PZT和PT/PZT/PT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用半导体... 详细信息

为了提高微牛顿量级微力传感器的灵敏度,比较了有PT种子层和无PT种子层的PZT压电薄膜对微力传感器性能的影响。运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PZT和PT/PZT/PT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用半导体参数测试仪测试了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的漏电流。结果表明,在同为600℃退火温度下,两种薄膜均具有钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向。当外加电压增加时,PZT薄膜的漏电流基本保持不变;PT/PZT/PT薄膜的漏电流变化在1nA左右。最后应用MEMS工艺分别制作了基于PZT,PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器,并在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试。测试结果表明,添加PT种子层对微悬臂梁的弹性系数基本没有影响,但微悬臂梁的灵敏度显著增加。

关键词： PZT薄膜 PT/PZT/PT薄膜微悬臂梁微力传感器压电系数

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仿生湿吸二维微力传感器设计与试验研究

传感器与微系统 2014年第3期33卷 79-81页

作者：何斌蔡蜜王昆同济大学电子信息工程学院上海201804 同济大学机械工程学院上海201804

设计了一种L型的二维微力传感器,该二维微力传感器采用悬臂梁式结构。在弹性力学和材料力学基础上,利用Solidworks三维建模软件和ANSYS仿真软件对传感器分别进行模型建立和有限元应变分析。对该二维微力传感器的实体进行标定,得出了力... 详细信息

设计了一种L型的二维微力传感器,该二维微力传感器采用悬臂梁式结构。在弹性力学和材料力学基础上,利用Solidworks三维建模软件和ANSYS仿真软件对传感器分别进行模型建立和有限元应变分析。对该二维微力传感器的实体进行标定,得出了力和输出电压之间的关系。然后,在设计与分析二维微力传感器的基础上,研制了二维微力传感器阵列测试系统。最后,在测试系统实施了不同预压力下的湿吸力测试试验,验证了传感器和系统的可靠性。

关键词：仿生湿吸微力传感器 ANSYS 标定

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基于MEMS技术的三维微力传感器

仪表技术与传感器 2007年第6期 1-2,5页

作者：秦磊李满天孙立宁哈尔滨工业大学机器人研究所黑龙江哈尔滨150080

开发了一种基于MEMS技术制作的三维微力传感器,传感器为完全对称结构,由4根垂直放置和1根悬臂放置的硅梁连接而成。每根硅梁上设计了一个利用MEMS工艺制作的惠斯通电桥,该种电桥应变系数大,在很大程度上简化了电桥处理电路的设计。在弹... 详细信息

开发了一种基于MEMS技术制作的三维微力传感器,传感器为完全对称结构,由4根垂直放置和1根悬臂放置的硅梁连接而成。每根硅梁上设计了一个利用MEMS工艺制作的惠斯通电桥,该种电桥应变系数大,在很大程度上简化了电桥处理电路的设计。在弹性力学和材料力学基础上,利用SOLIDWORK软件对传感器进行了应变分析,得出了力和输出电压之间的关系。设计了传感器信号检测电路,确定了减小温度对检测精度影响的方法。测试表明:该传感器检测量程为±0.5 N,重复定位精度优于9.1 mN,分辨力优于0.95 mN.

关键词：微力传感器 MEMS 应变

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PVDF微力传感器的设计

仪表技术与传感器 2014年第10期 7-9页

作者：刘廷吴晓军赵河明中北大学机电工程学院山西太原030000

基于一种压电材料——PVDF压电薄膜,设计了一种新型的微力传感器,从PVDF微力传感器的原理、设计、标定等过程进行详细研究。采用电荷放大器对PVDF受力产生的感应电荷进行放大,经过电荷放大器后产生电压信号,再经过第二级电压放大电路对... 详细信息

基于一种压电材料——PVDF压电薄膜,设计了一种新型的微力传感器,从PVDF微力传感器的原理、设计、标定等过程进行详细研究。采用电荷放大器对PVDF受力产生的感应电荷进行放大,经过电荷放大器后产生电压信号,再经过第二级电压放大电路对信号进行进一步放大,采用MATLAB/Simulink模块通过PCI-6221对数据进行采集,通过用MATLAB对采集的数据进行最小二乘拟合。经过实验测试,验证了该微力传感器测试系统具有较高的精度和灵敏度。

关键词：微力传感器电荷放大器数据拟合

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SAW微力传感器的结构设计与性能优化研究

SAW微力传感器的结构设计与性能优化研究

作者：马连杰上海工程技术大学

学位级别：硕士

传感器技术的发展和社会需求的不断提高,推动着传感器应用领域逐渐扩大。同时,随着其性能优化技术不断提升,逐步实现微型化、低功耗、高精度测量。声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件因其独特的无源无线工作方式,良好的机械性能... 详细信息

传感器技术的发展和社会需求的不断提高,推动着传感器应用领域逐渐扩大。同时,随着其性能优化技术不断提升,逐步实现微型化、低功耗、高精度测量。声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)器件因其独特的无源无线工作方式,良好的机械性能和稳定性,抗干扰能力强,易于传输且体积小、低功耗、重复性好等特点,可广泛应用于工业生产、汽车电子、医学治疗等多个领域。其中声表面波微力传感器是声表面波器件的一个分支,主要应用于测试表面力、液压、物体加速度等重要物理量。为实现SAW微力传感器在复杂环境下的高精度、低功耗测量,需进一步提高SAW微力传感器的性能。本文基于SAW模式的无源无线检测技术,提出SAW器件的结构设计与性能优化方案,根据SAW器件的分析模型,设计出折线型结构传感器,可测量0-0.2N范围内的微力,主要内容有:首先,对SAW器件的相关理论基础进行分析。分析SAW微力传感器的工作原理,介绍有限元分析法以及传感器数据分析模型和质量灵敏度分析模型。其次基于叉指换能器(Interdigital Transducer,IDT)形状提出一种折线型SAW器件。对比不同的压电基片材料和IDT材料特点取选择合适的材料,同时根据IDT设计准则计算其各项参数,并根据压电基片的受力分析确定最佳IDT放置位置。接着利用COMSOL 5.4有限元分析软件构建直线型和折线型SAW微力传感器结构模型,对比分析输入输出电压、脉冲响应、插入损耗、质量灵敏度以及位移场、特征频率振型等方面的差异性。最后通过确定延迟线型SAW器件设计加工中的参数,对提出的折线型IDT结构和传统直线型IDT结构的传感器进行版图设计及制作。并布置实验环境对制备完成后的SAW器件进行微力负载实验测试,验证其测量微力的可行性以及对比分析两种结构传感器的差异。记录多组测试数据,基于线性回归模型和最小二乘法建立输出频率与微力之间的数学关系,绘制相关的拟合曲线。实验结果表明折线型SAW微力传感器可以测量0-0.2N之间的微力以及灵敏度高于传统直线型结构,对高灵敏、低功耗、微型化的便携式传SAW微力感器研究具有重要意义。

关键词： SAW 有限元分析法折线型 IDT 微力传感器