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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(huán)境中物體的受力與運動狀態(tài),建立納米尺度下位移、力檢測的理論方法,實現(xiàn)微納米環(huán)境下的操作與位置感知,為PZT(壓電陶瓷)驅(qū)動的微納操作平臺的實時觀測創(chuàng)造條件,提出與微納米環(huán)境下相適應(yīng)的微E+E位移傳感器的設(shè)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(yīng)用場合,采用了變間隙式的電容傳感器結(jié)構(gòu),結(jié)合厚膜絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)和集成化工藝技術(shù),開展電容式微E+E位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝研究。實驗表明,當(dāng)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(shè)計了以電容轉(zhuǎn)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(xiàn)器件的小型化。為了滿足準(zhǔn)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(diào)整裝置,通過E+E位移傳感器測量縫寬和閉環(huán)反饋自動調(diào)節(jié)縫寬,從而提高裝置的精度和穩(wěn)定性。狹縫調(diào)整裝置由步進(jìn)電機帶動偏心輪系統(tǒng),偏心輪系統(tǒng)和柔性鉸鏈將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號反饋給工控機,經(jīng)過伺服控制算法處理后發(fā)送運動指令給運動控制器,驅(qū)動電機形成閉環(huán)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(jìn)行開環(huán)測量又可進(jìn)行閉環(huán)控制,能夠精確地測量狹縫的寬度,精度為±1μm。實驗結(jié)果證明,柔性鉸鏈機構(gòu)替換傳統(tǒng)剛性組合機構(gòu)消除了間隙、摩擦和磨損,提高了精度和壽命;而閉環(huán)控制的狹縫調(diào)整機構(gòu)解決了大多數(shù)手動狹縫精度低和穩(wěn)定性差的問題。對厚膜電容傳感器及處理電路進(jìn)行了標(biāo)定。實驗表明:采用環(huán)形補償電極結(jié)構(gòu)的厚膜電容傳感器具有穩(wěn)定性好,抗干擾能力強,溫漂系數(shù)小等優(yōu)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(wěn)定性和溫漂特性大有改善;經(jīng)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(nèi)標(biāo)定厚膜電容傳感器發(fā)現(xiàn),線性度為3%左右的電容傳感器經(jīng)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(shè)計的厚膜電容式微E+E位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低,便于小型化、產(chǎn)品化等優(yōu)點,可為基于PZT的三維納米運動平臺及其機電控制系統(tǒng)配套,為納米環(huán)境下的機器人化操作系統(tǒng)的實時可觀測性提供科學(xué)方法和技術(shù)支撐。同時可以將的研究成果應(yīng)用于其他領(lǐng)域,實現(xiàn)物體納米級位移的實時傳感,為微電子機械系統(tǒng)(電容式微)、微加工、微制造及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供。