一種基于柔順機構(gòu)的3維微力傳感器的敏感元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于微力測量的傳感器敏感元件，包括具有對稱結(jié)構(gòu)的柔順UPU支鏈和球形結(jié)構(gòu)組成，支鏈采用2對對稱的第一正圓形柔性鉸鏈和第二正圓形柔性鉸鏈實現(xiàn)U副，2對對稱的懸臂梁并聯(lián)實現(xiàn)移動副，1對切口方向相反的柔性鉸鏈實現(xiàn)輸入端的U運動副。傳感器的敏感元件包括3個用于將作用力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變的柔性支鏈結(jié)構(gòu)，3條支鏈垂直放置，以測量3個垂直方向的力，球形結(jié)構(gòu)感受需測量的外力，球形結(jié)構(gòu)放置于各支鏈形成的中心。采用空間3-UPU柔順并聯(lián)機構(gòu)作為敏感元件的結(jié)構(gòu)類型，具有3維解耦力傳感、靈敏度高和頻寬范圍大等特點。所設(shè)計的微力傳感器的敏感元件可用于精密加工與精密測量、納米科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域。
【專利說明】—種基于柔順機構(gòu)的3維微力傳感器的敏感元件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密工程測試領(lǐng)域，尤其涉及應(yīng)用柔順機構(gòu)所設(shè)計的精密微力測量器件，所設(shè)計的微力傳感器的敏感元件可用于精密加工與精密測量、微電子工程、生物工程、納米科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著精密工程技術(shù)、微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)及微/納米技術(shù)等的研究，微傳感器技術(shù)得到極大發(fā)展，特別是微力傳感器，在各種微操作過程中執(zhí)行對微接觸力的檢測，實現(xiàn)力-位移或力-視覺等混合控制，對提高微操作系統(tǒng)的精度起到了重要作用。微力傳感器在微觀摩擦現(xiàn)象觀測、液體表面張力分析以及生物體微組織力測量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。微力傳感器在精密加工與精密測量、微電子工程、生物工程、納米科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域的作用已越來越重要，應(yīng)用越來越廣泛。但對其要求也越來越高，要求其具有精度高、剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊、對稱性好、速度高、自重負荷大、動力學(xué)性能好等。
[0003]目前大多數(shù)的微力傳感器的敏感元件是懸臂梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，只能實現(xiàn)I維或2維力的傳感。但是，3維微力傳感器的敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計較少。微力傳感器的敏感元件設(shè)計是力傳感器應(yīng)用的關(guān)鍵問題。柔順機構(gòu)是采用柔性構(gòu)件的彈性變形傳遞和轉(zhuǎn)換運動、力或能量的一種新型結(jié)構(gòu)，柔順機構(gòu)具有免摩擦、免潤滑、整體化制造、運動靈敏度高等優(yōu)點，柔順機構(gòu)這些優(yōu)點使得其適合于作為微力傳感器的敏感元件，并且可以實現(xiàn)空間多維的微力傳感，所以，采用柔順機構(gòu)作為敏感元件設(shè)計力傳感器可以提高其靜態(tài)和動態(tài)性能。
[0004]對于較為復(fù)雜的空間微力傳感器，傳感器不僅需要測量某一方向的力，還需要它測量多個方向的力。因此，設(shè)計能實現(xiàn)空間多自由度力傳感器是有意義的。柔順并聯(lián)機構(gòu)作為一種新型的微力傳感結(jié)構(gòu)形式，具有無機械摩擦、無間隙、運動靈敏度高和加工簡單等優(yōu)點，特別適宜用于設(shè)計微力傳感器的敏感元件。并聯(lián)機構(gòu)的特點在一定程度上加強和彌補了柔順機構(gòu)的優(yōu)點與不足，兩者的有機結(jié)合可滿足運動分辨率高、響應(yīng)快、尺寸小等微力高精度測量要求。并聯(lián)機構(gòu)各運動鏈的布置可以限制這種誤差的累積與放大，使其適合作為高精度微力測量的敏感元件；采用并聯(lián)柔順機構(gòu)可增加敏感元件的剛度，且其結(jié)構(gòu)設(shè)計更為緊湊，較高的剛度能保證傳感器具有較高的測量精度和良好的抗干擾性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種用于微力測量的傳感器敏感元件，基于3-UPU柔順并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計一種新型的3自由度微力傳感器敏感元件，所設(shè)計的傳感器敏感元件具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、誤差積累小、測量精度高等優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明的微力傳感器敏感元件包括具有對稱結(jié)構(gòu)的支鏈和金屬球組成，微力傳感器的敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖1所示，所述結(jié)構(gòu)為3自由度的柔順并聯(lián)機構(gòu)，它由3條支鏈組成，每I條支鏈由UPU運動副順序組成，U代表萬向節(jié)，P代表移動副，每I條支鏈能實現(xiàn)某一方向的力的傳感，3條支鏈可實現(xiàn)3個垂直方向的力的測量。
[0008]所述支鏈如圖2所示，采用2對對稱的第一正圓形柔性鉸鏈12和第二正圓形柔性鉸鏈13實現(xiàn)U運動副，I對第一柔性鉸鏈4和第二柔性鉸鏈5對稱分布于兩側(cè)可允許垂直于該柔性鉸鏈切口方向的轉(zhuǎn)動，另I對第三柔性鉸鏈6和第四柔性鉸鏈7對稱分布于兩側(cè)可允許垂直于該柔性鉸鏈切口方向的轉(zhuǎn)動，這2對柔性鉸鏈切口方向相互垂直,實現(xiàn)了相互垂直的方向的轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)了 U副，采用2對對稱的懸臂梁第一懸臂梁8、第二懸臂梁9、第三懸臂梁10和第四懸臂梁11并聯(lián)連接實現(xiàn)P副，采用2對并聯(lián)式懸臂梁增加敏感元件的強度，由于懸臂梁所受的應(yīng)變最大，用于將金屬球感受到的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槠鋺?yīng)變輸出。采用I對切口方向相互垂直的第一正圓形柔性鉸鏈12和第二正圓形柔性鉸鏈13實現(xiàn)輸入端的U運動副。
[0009]所述傳感器的敏感元件如圖3所示,敏感元件包括3個用于將作用力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變的柔性支鏈結(jié)構(gòu)，微力傳感器的敏感元件3條支鏈垂直放置，以測量3個垂直方向的力，其中第一支鏈17可用于測量X方向的力，第二支鏈18可用于測量Y方向的力，第三支鏈19可用于測量Z方向的力，采用球形結(jié)構(gòu)感受需測量的外力，球形結(jié)構(gòu)放置于各支鏈形成的中心位置。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果:
[0011](I)本發(fā)明的3維微力傳感器的敏感元件，采用空間3-UPU柔順并聯(lián)機構(gòu)作為結(jié)構(gòu)類型，與傳統(tǒng)微力傳感器的敏感元件相比，具有高精度、高強度、無累積誤差等優(yōu)點；
[0012](2)本發(fā)明的3維微力傳感器的敏感元件，3個支鏈相互垂直放置，并且每I條支鏈能感受某一方向的力，同時不會影響其他支鏈的懸臂梁的應(yīng)變，具有3維解耦力傳感特
占.[0013](3)本發(fā)明的3維微力傳感器的敏感元件，采用懸臂梁的應(yīng)變作為敏感元件的輸出，懸臂梁相對柔性鉸鏈尺寸更小，所測量力使其變形大，具有靈敏度高的特點；
[0014](4)本發(fā)明的3維微力傳感器的敏感元件，采用3-UPU柔順并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有高固有頻率，具有頻寬范圍大的特點；
[0015](5)本發(fā)明的3維微力傳感器的敏感元件，采用2對對稱的懸臂梁的應(yīng)變形成全橋式電路作為輸出，具有溫度不敏感的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例提供的傳感器敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明實施例提供的傳感器敏感元件的UPU柔順支鏈結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明實施例提供的傳感器敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖1中，1、連接于固定端的U運動副；2、P運動副；3、連接于輸入端的U運動副；
[0020]圖2中，4、第一柔性鉸鏈；5、第二柔性鉸鏈；6、第三柔性鉸鏈；7、第四柔性鉸鏈；
8、第一懸臂梁；9、第二懸臂梁；10、第三懸臂梁；11、第四懸臂梁；12、第一正圓形柔性鉸鏈；
13、第二正圓形柔性鉸鏈；14、第一桿件；15、第二桿件；16第三桿件；
[0021]圖3中，17、第一支鏈；18、第二支鏈；19、第三支鏈；20、金屬球；21、第一轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)；22、第二轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)；23、第三轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)；24、第四轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)?！揪唧w實施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0023]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地描述。
[0024]如圖1-圖3所示，本發(fā)明實施例的基于柔順機構(gòu)的3維微力傳感器的敏感元件主要由:連接于固定端的U運動副1、P運動副2、連接于輸入端的U運動副3 ;第一柔性鉸鏈
4、第二柔性鉸鏈5、第三柔性鉸鏈6、第四柔性鉸鏈7、第一懸臂梁8、第二懸臂梁9、第三懸臂梁10、第四懸臂梁11、第一正圓形柔性鉸鏈12、第二正圓形柔性鉸鏈13、第一桿件14、第二桿件15、第三桿件16 ;第一支鏈17、第二支鏈18、第三支鏈19、金屬球20、第一轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)21、第二轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)22、第三轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)23、第四轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)24組成；
[0025]根據(jù)如圖1所示的微力傳感器敏感元件設(shè)計原理圖，設(shè)計的關(guān)鍵在于實現(xiàn)各支鏈的UPU運動副。如圖2所示，為了實現(xiàn)第一個U副，第一柔性鉸鏈4、第二柔性鉸鏈5的切口方向與第三柔性鉸鏈6、第四柔性鉸鏈7的切口方向相互垂直，并且在兩根平行的第一桿件14、第二桿件15上切除，形成了兩個相互垂直方向的轉(zhuǎn)動副，即形成了 U副。為了實現(xiàn)P畐0，分別在第一桿件14和第三桿件16、第二桿件15和第三桿件16之間聯(lián)接4個懸臂梁結(jié)構(gòu)，第一懸臂梁8、第二懸臂梁9、第三懸臂梁10、第四懸臂梁11 ;以在較小測量力作用下輸出較大的應(yīng)變提高敏感元件的靈敏度，同時為了提高結(jié)構(gòu)的強度和溫度不敏感性，采用對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)。第二個U副在中間的桿件形成兩個相互垂直方向的轉(zhuǎn)動副，并將金屬球20連接于該桿件頂端。
[0026]如圖2為了形成柔性鉸鏈和懸臂梁結(jié)構(gòu)在所測量力作用下的變形空間，同時為了結(jié)構(gòu)緊湊，通過在桿件之間切割溝槽的方式實現(xiàn)，即在第一桿件14、第二桿件15和第三桿件16之間切割出13道溝槽。為了測量任意方向的力，采用金屬球作為感受外力的結(jié)構(gòu)。由于任意方向的力均可分解為三個相互垂直方向力，如圖3所示，將3個支鏈放置于三個相互垂直方向的位置。
[0027]所設(shè)計的傳感器敏感元件適宜于采用電火花線切割加工技術(shù)分別對各個支鏈進行整體化加工，采用傳統(tǒng)加工方法加工金屬球。采用焊接技術(shù)將各支鏈與金屬球進行裝配，提高結(jié)構(gòu)的精確性。對敏感元件粘貼區(qū)進行特殊工藝處理，采用應(yīng)變片嵌入敏感元件粘貼區(qū)。
[0028]對于轉(zhuǎn)換元件的設(shè)計，由于微力傳感器的尺寸很小，需要將硅應(yīng)變片嵌入柔性結(jié)構(gòu)輸出端的表層，轉(zhuǎn)換元件的設(shè)計需要考慮硅應(yīng)變片的嵌入位置和數(shù)量以提高微力感器的精度。應(yīng)變片用于測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，則應(yīng)該選擇敏感元件應(yīng)變最大部分作為轉(zhuǎn)換元件的嵌入位置。由于敏感元件的懸臂梁部分產(chǎn)生最大的應(yīng)變，將硅應(yīng)變片集成于如圖3所示的轉(zhuǎn)換元件粘貼位置，第一轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)21、第二轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)22、第三轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)23、第四轉(zhuǎn)換元件粘貼區(qū)24 ;同時考慮溫度對應(yīng)變片的影響，將應(yīng)變片對稱嵌入于懸臂梁，采用橋式電路輸出所測出的應(yīng)變，作為微力傳感器的輸出。
[0029]微力傳感器的材料決定了微力傳感器的性能，其材料要求柔而強。柔是指柔度，柔度的好壞決定了微力傳感器靈敏度的好壞，即柔度越好，微力傳感器靈敏度越高；強是指強度，由于微力傳感器測量比較小的力，要求其尺寸較小，為了防止其在工作過程中失效，必須要保證材料的強度極限符合要求。選擇柔而強的微力傳感器材料，使得其能滿足微力傳感器的性能要求，選擇玻青銅作為傳感器制作材料。
[0030]通過以上實施方式可較好地實現(xiàn)高精、高靈敏度和溫度不敏感的空間3維的微力傳感。
[0031]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性的勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于柔順機構(gòu)的3維微力傳感器的敏感元件，其特征在于，包括具有對稱結(jié)構(gòu)的支鏈和金屬球組成，所述支鏈采用2對對稱的第一正圓形柔性鉸鏈和第二正圓形柔性鉸鏈實現(xiàn)U運動副，其中第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸鏈對稱分布于兩側(cè)可允許垂直于該柔性鉸鏈切口方向的轉(zhuǎn)動，另I對柔性鉸鏈第三柔性鉸鏈和第四柔性鉸鏈對稱分布于兩側(cè)可允許垂直于該柔性鉸鏈切口方向的轉(zhuǎn)動，2對對稱的懸臂梁并聯(lián)實現(xiàn)移動副，2對并聯(lián)式懸臂梁增加敏感元件的強度，懸臂梁所受的應(yīng)變最大，將作用力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變輸出；所述金屬球放置于各支鏈形成的中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3維微力傳感器的敏感元件，其特征在于，I對切口方向相反的柔性鉸鏈實現(xiàn)輸入端的U運動副。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3維微力傳感器的敏感元件，其特征在于，通過并聯(lián)2對對稱的懸臂梁輸出4個相同的對應(yīng)于測量力的應(yīng)變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3維微力傳感器的敏感元件，其特征在于，所述傳感器的敏感元件包括3個用于將作用力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變的解耦柔性支鏈結(jié)構(gòu)，微力傳感器的敏感元件3條支鏈沿3個相互垂直的方向放置，以測量3個垂直方向的力，其中第一支鏈用于測量X方向的力，第二支鏈可用于測量Y方向的力，第三鏈可用于測量Z方向的力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3維微力傳感器的敏感元件，其特征在于，球形結(jié)構(gòu)感受需測量的外力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3維微力傳感器的敏感元件，其特征在于，3-UPU柔順并聯(lián)結(jié)構(gòu)將微力轉(zhuǎn)變?yōu)榇髴?yīng)變輸出。
【文檔編號】G01L1/22GK103983383SQ201410210252
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】胡俊峰, 徐貴陽, 郝亞洲 申請人:江西理工大學(xué)