基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器及微力測量方法
【專利摘要】一種基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器及微力測量方法屬于微納米力學(xué)、精密計(jì)量領(lǐng)域。傳感器采用一組對(duì)稱的細(xì)長梁或兩組串聯(lián)的細(xì)長梁，平行布置且一端固支，通過限位端限制細(xì)長梁的變形，通過設(shè)置探針和電容施加載荷并測量位移。使用時(shí)，將雙梁預(yù)先沿軸線壓曲失穩(wěn)，然后保持其失穩(wěn)模態(tài)；通過適當(dāng)引入梁的橫向位移，在一定載荷范圍內(nèi)可以得到雙梁在很小的軸向力作用下，獲得顯著的橫向位移變化，通過屈曲失穩(wěn)公式計(jì)算載荷，或通過預(yù)先標(biāo)定，直接由位移變化獲得被測微力的數(shù)值。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，可以形成不同測量范圍的序列傳感器，因而可為微納米力學(xué)的測量提供寬范圍載荷、高靈敏度的微力測量方法和傳感器設(shè)計(jì)。
【專利說明】基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器及微力測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納米力學(xué)、精密計(jì)量領(lǐng)域，特別涉及一種適用于宏微觀力學(xué)測量中基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器及微力測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]力的檢測與加載一直都是力學(xué)測量中最基本也是最重要的問題之一。隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，微米甚至納米尺度的材料與結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)這些結(jié)構(gòu)之間的相互作用力也從牛頓量級(jí)減小到納牛甚至皮牛量級(jí)。因此當(dāng)檢測材料或結(jié)構(gòu)的特征尺度減小到毫米甚至納米量級(jí)時(shí)，為了準(zhǔn)確的測量出微尺度材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在力的測量方面有兩個(gè)重要的問題亟待解決。其一，隨著被測結(jié)構(gòu)尺度的減小導(dǎo)致加載與測力結(jié)構(gòu)也必須有與試件相匹配的尺度；其二，需測量的微力范圍可從微牛到納牛，甚至皮牛量級(jí)，即具有較寬的載荷范圍，且需要微力測試單元必須有足夠高的靈敏度。傳統(tǒng)的加載單元和測力單元由于這兩個(gè)限制導(dǎo)致其在微納米尺度實(shí)驗(yàn)中很難繼續(xù)使用，必須研究新的測量微力的方法和感力機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微力的加載和測量。
[0003]眾所周知，細(xì)長梁桿結(jié)構(gòu)在發(fā)生屈曲后，自身的剛度劇烈減小。因此，可以采用適當(dāng)設(shè)計(jì)的屈曲結(jié)構(gòu)作為力傳感單元，在位移測量精度為亞微米甚至納米量級(jí)時(shí)，實(shí)現(xiàn)力測量靈敏度達(dá)到納牛，甚至皮牛量級(jí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述提到的微小力測量問題，本發(fā)明的目的是提供一類寬范圍(通過選擇梁結(jié)構(gòu)的尺寸或材料，提供從毫牛到數(shù)十納牛載荷)、高靈敏的基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力探針傳感器及微力測量方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的內(nèi)容如下:
[0006]一種基于雙梁的屈曲式微力傳感器，其結(jié)構(gòu)為:兩個(gè)細(xì)長梁對(duì)稱平行布置，一端固支，另一端共同固定在僅可以沿梁軸向自由滑動(dòng)的滑塊上，滑塊上設(shè)置測力探針固定機(jī)構(gòu)，用來安裝不同形狀的探針，在滑塊的外側(cè)設(shè)置限位端，限制滑塊的活動(dòng)范圍；為了保證梁失穩(wěn)后彎曲方向向外側(cè)凸起，在兩個(gè)梁的中部預(yù)先施加一個(gè)向外側(cè)的微小位移；在梁中部布置電容式位移測試單元，用來檢測梁在失穩(wěn)后受到的軸向力。
[0007]—種基于串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器，其結(jié)構(gòu)為:第一組細(xì)長梁為兩個(gè)，對(duì)稱平行布置，一端固支；第二組細(xì)長梁同樣為兩個(gè)，對(duì)稱平行布置，其固定端分別與第一組的兩個(gè)細(xì)長梁的自由移動(dòng)端固定，組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；且兩組細(xì)長梁的連接處通過中間橋連板連接；中間橋連板上設(shè)置測力探針固定機(jī)構(gòu)，用來安裝不同形狀的探針，在第二組細(xì)長梁的自由移動(dòng)端設(shè)置限位端；在兩組細(xì)長梁的中部分別布置電容式位移傳感器。
[0008]所述的細(xì)長梁由單晶硅、金屬或其合金制造，其特征長度為厘米或微米量級(jí)，厚度為毫米或亞微米量級(jí)。
[0009]所述探針的針尖為直徑在0.2?I毫米、曲率半徑在200納米到100微米的鎢絲針尖。
[0010]本發(fā)明提供的一種采用基于雙梁的屈曲式微力探針傳感器的微力測量方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0011](101)將平行的兩個(gè)細(xì)長梁一端固定，另一端與一滑塊連接；
[0012](102)預(yù)加載，使雙梁橫向相向彎曲失穩(wěn)；
[0013](103)將失穩(wěn)的雙梁用限位端固定，保持某一失穩(wěn)狀態(tài)；
[0014]( 104)利用滑塊上的探針施加載荷；
[0015](105)利用固定于雙梁中部的電容式位移傳感器測量雙梁的橫向位移；
[0016](106)利用步驟(105)中測量得到的橫向位移和步驟(104)中提供的載荷的關(guān)系計(jì)算所加力載荷；或者通過預(yù)先標(biāo)定位移與載荷關(guān)系，然后直接給出力載荷信號(hào)。
[0017]本發(fā)明提供一種采用基于串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器的微力測量方法，按如下步驟進(jìn)行:
[0018](201)將串聯(lián)后的兩組細(xì)長梁的兩對(duì)外側(cè)端固定，內(nèi)側(cè)端通過中間橋連板連接；
[0019](202)預(yù)加載，使串聯(lián)雙梁彎曲失穩(wěn)；
[0020](203)用限位端限制雙梁外側(cè)一端，形成穩(wěn)定彎曲模態(tài)；
[0021](204)在橋連板中間連接探針或加載對(duì)象，實(shí)現(xiàn)拉、壓加載；
[0022](205)利用串聯(lián)雙梁中部的兩個(gè)電容式位移傳感器測量兩組細(xì)長梁各自的橫向位移；
[0023](206)利用步驟(205)中測量得到的橫向位移和步驟(204)中提供的載荷的關(guān)系計(jì)算所加力載荷；或者通過預(yù)先標(biāo)定位移與載荷關(guān)系，然后直接給出力載荷信號(hào)。
[0024]所述雙梁或串聯(lián)雙梁在力檢測前均處于失穩(wěn)彎曲模態(tài)，通過保證失穩(wěn)模態(tài)，微小的載荷即可引起梁橫向大位移實(shí)現(xiàn)微力測量。
[0025]所述步驟(105)或步驟(205)中的橫向位移通過電容式位移傳感器給出，或由顯微系統(tǒng)以圖像方式給出。
[0026]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0027](I)由于本發(fā)明采用基本梁單元組合成不同構(gòu)型的傳感感力結(jié)構(gòu)，通過選擇不同壓桿幾何尺寸、初始失穩(wěn)位移和梁的材料種類，可以實(shí)現(xiàn)不同量程的探針式微力傳感器。
[0028](2)由于梁結(jié)構(gòu)、初始橫向失穩(wěn)位移和材料的多樣化選擇，可以實(shí)現(xiàn)微小尺寸力傳感結(jié)構(gòu)，也可以滿足不同連接方式的測力要求，如探針式、螺接式等等。
[0029](3)由于發(fā)生屈曲失穩(wěn)的梁橫向剛度很低，可以達(dá)到10_2N/m量級(jí)，這樣配合高空間分辨觀察或高靈敏度電容位移傳感器，就可以獲得從毫牛到亞納牛(100皮牛)量級(jí)的力載荷。
[0030](4)該類傳感器采用軸向加載，適合拉壓、彎曲多種測量方式。
[0031](5)以梁為基本單元，可以衍生多種組合結(jié)構(gòu)力傳感結(jié)構(gòu)，有利于多尺度傳感器系統(tǒng)化、標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為基于雙梁的屈曲力傳感器的原理示意圖；
[0033]圖2為基于串聯(lián)雙梁的屈曲力傳感器的原理示意圖；[0034]圖3為基于雙梁的屈曲力傳感器的載荷與橫向位移關(guān)系曲線圖(參數(shù):單晶硅硅梁，長800微米，截面5微米X 2微米，模量楊氏模量E=170GPa)；[0035]圖4為基于串聯(lián)雙梁的屈曲力傳感器的載荷與橫向位移關(guān)系曲線圖(參數(shù):單晶硅硅梁，長800微米，截面5微米X 2微米，模量楊氏模量E=170GPa)；
[0036]圖5為基于串聯(lián)雙梁的屈曲力傳感器的載荷與橫向位移關(guān)系曲線圖(參數(shù):Cu梁，長800微米，截面5微米X 2微米，模量楊氏模量E=90GPa)；
[0037]圖6為實(shí)驗(yàn)中一個(gè)實(shí)際對(duì)稱雙梁屈曲結(jié)構(gòu)的照片；
[0038]圖7為載荷和橫向位移的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算關(guān)系圖；
【具體實(shí)施方式】
[0039]本發(fā)明提供了一種基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器及微力測量方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0040]基于雙梁的屈曲力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示:兩個(gè)細(xì)長梁對(duì)稱平行布置，一端固支，另一端共同固定在僅可以沿梁軸向自由滑動(dòng)的滑塊上，滑塊上設(shè)置測力探針固定機(jī)構(gòu)，用來安裝不同形狀的探針，在滑塊的外側(cè)設(shè)置限位端，限制滑塊的活動(dòng)范圍；為了保證梁失穩(wěn)后彎曲方向向外側(cè)凸起，在兩個(gè)梁的中部預(yù)先施加一個(gè)向外側(cè)的微小位移；在梁中部布置電容式位移測試單元，用來檢測梁在失穩(wěn)后受到的軸向力。
[0041]使用基于雙梁的屈曲力傳感器對(duì)微力進(jìn)行測量，具體實(shí)施步驟如下:
[0042]首先將兩個(gè)細(xì)長梁的固定端I固定，然后通過滑塊4給結(jié)構(gòu)加預(yù)載，使得雙梁發(fā)生屈曲失穩(wěn)，在確定需要的失穩(wěn)構(gòu)型和橫向位移數(shù)值后，通過限位端5將雙梁保持在失穩(wěn)形態(tài)。
[0043]接著可以通過滑塊4連接被測量對(duì)象進(jìn)行加載和微力測量，其具體步驟是將測量對(duì)象通過連接結(jié)構(gòu)和滑塊4連接，當(dāng)被測對(duì)象受壓力時(shí)，滑塊4向內(nèi)滑動(dòng)使得失穩(wěn)的雙梁中部的橫向位移D發(fā)生變化，通過測量此變化導(dǎo)致的電容3的變化，給出此橫向位移的變化值，進(jìn)而通過計(jì)算(或標(biāo)定系數(shù))得到載荷的大小(也可以通過標(biāo)定電容3的改變量，直接獲得載荷的大小)。
[0044]由橫向位移求解測量的力載荷P的原理如下:
[0045]設(shè)雙梁2的長度為L，截面為矩形，寬度為b，厚度為h，初始的橫向變形記為δ，當(dāng)對(duì)梁2施加沿軸向的載荷P時(shí)，在初始橫向變形的方向上會(huì)發(fā)生更大的橫向位移D。由于屈曲后的梁(虛線)形狀可近似假設(shè)為余弦曲線形式，根據(jù)對(duì)稱性，梁正中長度為L/2的部分可以等效為受壓的簡支梁，其幾何形狀恰好為正弦曲線，則其變形前后的幾何形狀曲線可以由以下方程描述:
[0046][0047]
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于，兩個(gè)細(xì)長梁對(duì)稱平行布置，一端固支，另一端共同固定在僅可以沿梁軸向自由滑動(dòng)的滑塊上，滑塊上設(shè)置測力探針固定機(jī)構(gòu)，用來安裝不同形狀的探針，在滑塊的外側(cè)設(shè)置限位端，限制滑塊的活動(dòng)范圍；為了保證梁失穩(wěn)后彎曲方向向外側(cè)凸起，在兩個(gè)梁的中部預(yù)先施加一個(gè)向外側(cè)的微小位移；在梁中部布置電容式位移測試單元，用來檢測梁在失穩(wěn)后受到的軸向力。
2.一種基于串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于，第一組細(xì)長梁為兩個(gè)，對(duì)稱平行布置，一端固支；第二組細(xì)長梁同樣為兩個(gè)，對(duì)稱平行布置，其固定端分別與第一組的兩個(gè)細(xì)長梁的自由移動(dòng)端固定，組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；且兩組細(xì)長梁的連接處通過中間橋連板連接；中間橋連板上設(shè)置測力探針固定機(jī)構(gòu)，用來安裝不同形狀的探針，在第二組細(xì)長梁的自由移動(dòng)端設(shè)置限位端；在兩組細(xì)長梁的中部分別布置電容式位移傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于:所述的細(xì)長梁由單晶硅、金屬或其合金制造，其特征長度為厘米或微米量級(jí)，厚度為毫米或亞微米量級(jí)，以探針方式加載或與測量對(duì)象連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙梁或串聯(lián)雙梁的屈曲式微力傳感器，其特征在于:所述探針的針尖為直徑在0.2?I毫米、曲率半徑在200納米到100微米的鎢絲針尖。
5.一種基于權(quán)利要求1所述屈曲式微力傳感器的微力測量方法，其特征在于，按如下步驟進(jìn)行: (101)將平行的兩個(gè)細(xì)長梁一端固定，另一端與一滑塊連接； (102)預(yù)加載，使雙梁橫向相向彎曲失穩(wěn)； (103)將失穩(wěn)的雙梁用限位端固定，保持失穩(wěn)模態(tài)； (104)利用滑塊上的探針施加載荷； (105)利用固定于雙梁中部的電容式位移傳感器測量雙梁的橫向位移； (106)利用步驟(105)中測量得到的橫向位移和步驟(104)中提供的載荷的關(guān)系計(jì)算所加力載荷；或者通過預(yù)先標(biāo)定位移與載荷關(guān)系，然后直接給出力載荷信號(hào)。
6.一種基于權(quán)利要求2所述屈曲式微力傳感器的微力測量方法，其特征在于，按如下步驟進(jìn)行: (201)將串聯(lián)后的兩組細(xì)長梁的兩對(duì)外側(cè)端固定，內(nèi)側(cè)端通過中間橋連板連接； (202)預(yù)加載，使串聯(lián)雙梁彎曲失穩(wěn)； (203)用限位端限制雙梁外側(cè)一端，形成穩(wěn)定彎曲模態(tài)； (204)在橋連板中間連接探針或加載對(duì)象,實(shí)現(xiàn)拉、壓加載； (205)利用串聯(lián)雙梁中部的兩個(gè)電容式位移傳感器測量兩組細(xì)長梁各自的橫向位移； (206)利用步驟(205)中測量得到的橫向位移和步驟(204)中提供的載荷的關(guān)系計(jì)算所加力載荷；或者通過預(yù)先標(biāo)定位移與載荷關(guān)系，然后直接給出力載荷信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的微力測量方法，其特征在于:所述雙梁或串聯(lián)雙梁在力檢測前均處于失穩(wěn)彎曲模態(tài)，通過保證失穩(wěn)模態(tài)，微小的載荷即可引起量橫向大位移實(shí)現(xiàn)微力測量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的微力測量方法，其特征在于:所述步驟(105)或步驟(205)中的橫向位移通過電容式位移傳感器給出，或由顯微系統(tǒng)以圖像方式給出。
【文檔編號(hào)】G01L1/14GK103471745SQ201310421860
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】李喜德, 金鵬 申請(qǐng)人:清華大學(xué)