厚膜電容式微E+E位移傳感器及其信號處理研究
為深入研究微納米環境中物體的受力與運動狀態,建立納米尺度下位移、力檢測的理論方法,實現微納米環境下的操作與位置感知,為PZT(壓電陶瓷)驅動的微納操作平臺的實時觀測創造條件,提出與微納米環境下相適應的微E+E位移傳感器的設計、制備與測試方法,研制出能夠用于檢測納米級位移的新型高精度厚膜雙電容式微E+E位移傳感器。

厚膜電容式微E+E位移傳感器及其信號處理研究
針對PZT位移檢測的應用場合,采用了變間隙式的電容傳感器結構,結合厚膜絲網印刷、燒結和集成化工藝技術,開展電容式微E+E位移傳感器的結構設計和制備工藝研究。實驗表明,當電容極板間隙取20μm δ0 75μm時,參考電容和測量電容均為50pF左右,此時傳感器的線性度和靈敏度特性都能兼顧。設計了以電容轉電壓集成芯片CAV414為核心的測試電路,并通過插針與電容傳感器剛性連接,利于實現器件的小型化。為了滿足準確測量并實時顯示狹縫寬度及保證狹縫開合精度的需求,研制了狹縫調整裝置,通過E+E位移傳感器測量縫寬和閉環反饋自動調節縫寬,從而提高裝置的精度和穩定性。狹縫調整裝置由步進電機帶動偏心輪系統,偏心輪系統和柔性鉸鏈將電機的旋轉運動轉換成為刀口的開合,刀口開合的大小(即縫寬)由差動變壓器式(電容式微)E+E位移傳感器來測量,得到的模擬信號轉換成數字信號反饋給工控機,經過伺服控制算法處理后發送運動指令給運動控制器,驅動電機形成閉環控制。電容式微E+E位移傳感器無摩擦、壽命長、分辨率高、堅固耐用,既可進行開環測量又可進行閉環控制,能夠精確地測量狹縫的寬度,精度為±1μm。實驗結果證明,柔性鉸鏈機構替換傳統剛性組合機構消除了間隙、摩擦和磨損,提高了精度和壽命;而閉環控制的狹縫調整機構解決了大多數手動狹縫精度低和穩定性差的問題。對厚膜電容傳感器及處理電路進行了標定。實驗表明:采用環形補償電極結構的厚膜電容傳感器具有穩定性好,抗干擾能力強,溫漂系數小等優點;以CAV414為核心的信號處理電路,通過將外接的普通電阻和電容元件更換為高精密電阻(0.1%)和NP0材料的電容,其輸出電壓的穩定性和溫漂特性大有改善;經電路處理后,厚膜電容傳感器的非線性特性大為提高,在量程為0-20kPa范圍內標定厚膜電容傳感器發現,線性度為3%左右的電容傳感器經過電路處理后,輸出電壓信號的線性度均降到1%以下。

厚膜電容式微E+E位移傳感器及其信號處理研究
設計的厚膜電容式微E+E位移傳感器具有結構簡單,成本低,便于小型化、產品化等優點,可為基于PZT的三維納米運動平臺及其機電控制系統配套,為納米環境下的機器人化操作系統的實時可觀測性提供科學方法和技術支撐。同時可以將的研究成果應用于其他領域,實現物體納米級位移的實時傳感,為微電子機械系統(電容式微)、微加工、微制造及相關領域的發展提供。