技術領域

本發明屬于微力測試技術領域，特別涉及到一種基于壓阻效應的 三維微力硅微探針傳感器的三維微力測量裝置。

背景技術

近幾年來，隨著微機電系統(MEMS)技術的不斷發展，越來越多 的學者與研究機構開始對微觀世界進行深入研究。為了更好地對微觀 物質進行操作和研究其力學特性，非常有必要開展三維微力測量技術 的研究，特別是微牛頓(uN)級的三維微力測量和傳感技術。在MEMS 系統中微尺度構件力學性能的研究、機器人觸覺系統中的微力測量與 加載、微納器件裝配中的微力監測、生物技術、細胞操作以及微制造 技術等領域中多需要三維微力的測量與控制，因此三維微力測量得到 了世界各國的廣泛關注，已經成為國內外研究的熱點。但目前來看， 絕大部分傳統的三維力測量系統測力范圍還限制在牛頓級別，缺少測 量μN級作用力的能力；而基于MEMS微傳感器的微力測量系統還相 對較少，且雖然可以達到測量μN量級作用力的能力，但往往只能測 量單維或二維微力。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺陷，本發明的目的在于提出一種基于 壓阻效應的三維微力硅微探針傳感器的三維微力測量裝置，可以同時 進行μN級三維微力的測量，具有精度聲、靈敏度高、線形好的特點。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種三維微力測量裝置，包括一減震平臺3，在減震平臺3上相 距一定位置分別固定有電控三維位移平臺1與載物臺2，并將壓電陶 瓷位移平臺4固定在電控三維位移平臺1的Z軸上，硅微三維微力傳 感器6固定在壓電陶瓷平臺4上；硅微三維微力傳感器6的探針10 朝下；硅微三維微力傳感器6的惠斯通電橋12將電壓信號輸出至放 大運算電路13，電壓信號經放大運算電路13放大后輸入到數字顯示 模塊14中。

電控三維微位移平臺1由步進電機控制器，以及x、y、z三軸電 控平移臺構成，其最小分辨率可達1.25μm，主要功能是對位移平臺 的粗調。步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移的執行機構。當 步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉 動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以 通過控制脈沖個數來控制角位移量，帶動電控平移臺導軌轉動，從而 達到電控平移臺準確定位的目的。

壓電陶瓷位移平臺4由壓電控制器以及壓電陶瓷精密平臺組成， 并通過支架5將壓電陶瓷位移平臺4固定在電控三維微位移平臺1的 z軸上。基于逆壓電效應，通過對壓電陶瓷施加電壓，使其在指定方 向產生變形，得到所需的微位移，理論分辨率可以達到1nm，主要功 能是對位移平臺的微調。

硅微三維微力傳感器6的主要元件是基于壓阻效應的三維微力 硅微探針傳感器。當X、Y或Z方向的作用力作用到傳感器上時，傳 感器的彈性單元產生變形，從而引起制作在彈性單元上的壓阻條發生 形變，電阻發生變化，并通過惠斯通電橋轉換成電壓信號輸出。該傳 感器具有高靈敏度，高線性度，高分辨率，高穩定性等優良特性，不 但可以同時對三維力進行測量，而且分辨率可達uN級，是測量系統 的核心元件。

為了測量傳感器的輸出電壓并且輸出準確的測量值，運用放大運 算電路13、數字顯示模塊14組成信號調理與顯示系統。放大運算電 路13擬采用儀表放大器AD620，數字顯示模塊14由包括了A/D轉 換模塊在內的三位半LED顯示芯片ICL7106組成，顯示待測微力值。

探針10為石英光纖探針，探針尖直徑小于60um。

本發明采用基于步進電機的三維微位移電控臺粗調與壓電陶瓷 微位移臺微調相結合的方式，很好的控制了平臺的定位及預載荷力， 保證了測量的范圍與精度；三維微力硅微探針傳感器保證了系統對三 維微力的高精度、高靈敏度、高線性的測量；利用運算放大器對傳感 器的輸出電壓信號進行分析放大，并通過數字顯示模塊直接顯示測量 得到的微力，記錄方便簡單；因此，總體來說本發明測量性能好，操 作簡單，記錄方便，可廣泛應用于微系統中三維微力的測量，促進微 裝配、微加工與生物細胞技術水平的提高，實現微系統的可靠使用。

附圖說明

圖1是本發明的三維微力測量裝置的結構示意圖。

圖2是本發明的三維微力硅微探針傳感器結構示意圖。

圖3是本發明的信號調理與顯示系統的電路圖。

圖4是本發明的三維微力測量裝置的工作原理示意圖。

具體實施方式