非等边剃齿刀的齿形设计

剃齿过程中,啮合周期在节圆附近出现单点接触即三点啮合区域,是导致剃齿齿形中凹误差的重要原因之一。基于负变位剃齿和平衡剃齿的原理,对负变位剃齿刀进行非等边齿形设计,通过减小副工作面的最大曲率半径,使主、副工作面同时啮入,实现平衡剃齿,有效地消除了节圆附近三点啮合区域,改善了该区域轮齿间啮合力不均匀的情况。以传动误差曲线幅值作为量纲,将非等边剃齿刀与负变位剃齿刀进行对比分析,结果表明：非等边剃齿刀能够优化负变位剃齿的不足以及平衡剃齿条件难以实现的缺点,使剃齿啮合过程轮齿间啮合力趋于平稳,实现平衡剃齿,降低传动误差幅值,为消除剃齿中凹误差提供了新的技术思路。     

海外科技

竹中电子工业上市检测透明物体位置用超声波传感器日本竹中电子工业上市了可检测透明薄膜、玻璃及液体等透明物体表面位置的超声波传感器"长距离超声波传感器USA-S6AN"。检测结果不受检测物体光泽及颜色变化、透明度及检测面污渍的影响。该传感器可设置在与液面及薄膜面垂直的方向。检测距离0.4m～6.0m,响应时间600ms,最小分辨率5.6mmF.S.以下。     

PT/PZT/PT薄膜微力传感器

提出了一种基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.运用Sol-Gel(溶胶-凝胶)法制作了PT和PZT薄膜,采用X射线衍射技术表征了PZT和PT/PZT/PT两种薄膜的成相特征,用阻抗分析仪测试了PZT和PT/PZT/PT薄膜的介电常数.结果表明,在PZT薄膜退火温度同为600℃时,PZT和PT/PZT/PT薄膜均为完整的钙钛矿结构,而且PT/PZT/PT薄膜沿(100)晶向强烈取向;在测试频率为1 kHz时,经600℃热处理条件下制备的PZT和PT/PZT/PT薄膜的相对介电常数分别为525和981.最后应用MEMS工艺制作了基于PT/PZT/PT压电薄膜微悬臂梁结构的微力传感器.在静态和准静态下对微力传感器的传感特性进行了测试.测试结果表明,力与位移或电荷具有良好的线性关系.两种尺寸微力传感器的灵敏度分别为0.045 mV/μN和0.007 mV/μN,力分辨率分别为3.7 μN和16.9μN,满足了微牛顿量级微小力的测量.     

基于海绵介质层的电容式三维力触觉传感器

为了提高电容式触觉传感器在较大量程范围内的灵敏度,应用PDMS(聚二甲基硅氧烷)海绵微结构作为介质层,设计了电容式三维力触觉传感器。利用有限元软件对海绵介质层和普通薄膜介质层进行性能对比,同等压力作用下,海绵微结构触觉传感器拥有更高的灵敏度。对传感器单元进行有限元分析,得到传感器在三维力作用下的形变情况和电容变化趋势。制备了传感器单元,并进行三维力加载实验,采集和分析实验数据,计算出了传感器的灵敏度。样机实测结果表明,该传感器可以实现在0~10 N法向力和0~4 N切向力较大的量程范围内的检测,且法向和切向的平均灵敏度都较高,分别可以达到0.065 pF/N、0.071 pF/N和0.076 pF/N。     

竹中电子工业上市检测透明物体位置用超声波传感器

日本竹中电子工业上市了可检测透明薄膜、玻璃及液体等透明物体表面位置的超声波传感器“长距离超声波传感器USA—S6AN”。检测结果不受检测物体光泽及颜色变化、透明度及检测面污渍的影响。     

用于机械手稳定抓取的磁致伸缩触觉传感器设计与研究

针对智能机械手抓取物体时的滑动问题,为了给机械手提供滑动信号,利用铁镓合金(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计了一种高灵敏度的磁致伸缩触觉传感器。根据逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁结构力学原理和胡克定理,建立了触觉传感器的摩擦力测试模型,利用该传感器进行了滑动检测,对采集的滑动信号作了离散小波变换,分析了不同抓取力下滑动信号的DWT细节系数,通过设置阈值为0.05来控制机械手抓取物体。实验结果表明:在偏置磁场为4.2 kA/m,施加的摩擦力为4 N时,传感器输出电压峰值为256 mV,灵敏度达到64 mV/N,将传感器安装在机械手上,可以为机械手提供稳定抓取的控制信号。     

一种带孔介电层结构柔性多维力传感器研究

针对智能机器人人机交互过程中存在的接触柔顺性和环境适应性问题,提出一种带孔结构的多维力柔性传感器的简单制备方法,采用碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（carbon nanotubes/polydimethylsiloxane,简称CNTs/PDMS） 混合制备柔性电极,以带孔结构的硅胶作为介电层,组装制备电容式柔性多维力传感器。建立柔性多维力传感器的数学模型,并通过试验获取柔性传感器的性能参数。试验结果表明：传感器理论模型与试验曲线吻合性较好,带孔结构的介电层能够提高传感器的灵敏度,法向上的检测范围为0~50 N,分辨率为0.05 N;切向上的检测范围为0~10 N,分辨率为0.15 N。将其安装在机器人手爪上进行了水果抓取试验,成功检测出水果抓取过程中的夹紧力,进一步表明该传感器具有较好的实用性。     

一种新型的表面深度测量系统

针对表面深度测量,设计了一种新型小型化检测系统,能够检测物体表面的深度信息。该系统硬件部分以激光线结构光作为光源,设计可调节光路,应用CMOS图像传感器采集图像。软件部分利用VC++设计应用软件,完成图像预处理、参数标定和求取深度参数。应用最小二乘法对系统进行全局多点标定,试验结果表明,全局多点标定的表面深度测量结果比以往的单点标定更加准确。     

嵌入薄膜传感器的可换刀头车刀测力仪设计与分析

设计了一种嵌入薄膜传感器的可换刀头测力仪,用于测量车刀切削过程中的主切削力与进给力。将车刀的刀头与刀柄设计为分离式两段结构,通过法兰套筒将刀柄与不同形状的车刀刀头对接,实现刀头的可换性。利用直流磁控溅射、光刻技术等方法制备Ni80Cr20合金薄膜应变传感器,该传感器通过真空扩散焊接方式安装在靠近法兰一端的刀柄表面,靠近法兰一端的刀柄中间部分设计为多层台阶凹槽,从而提高传感器灵敏度。利用ABAQUS软件对模型进行静力学仿真,分别在刀尖处施加单向力和三向组合力,得到测力仪输出电压和施加的三向力系数为0.0113-0.0114mV/N,误差为5.4%-6.5%。对比并分析了输出电压与外力之间的关系,通过传感器的单轴拉伸试验得到传感器的电阻应变系数为1.68;在单向力拉伸作用下传感器的测量灵敏度为0.0037mV/N。     

基于压阻效应的电气连接器缩针检测方法

电气连接器广泛应用于航空、电力、轨道交通等各个领域中,起到指令信号传递的作用,然而目前电气连接器在使用中存在普遍的缩针现象,极大影响了其可靠性和安全性。设计了一种电气连接器检测装置,并对所采用的压阻式薄膜传感器进行了标定。测试结果表明,检测装置能够准确检测电气连接器的缩针现象,并通过指示灯显示。该检测装置利用单点式压阻薄膜传感器将物理运动信号转换为电信号,具有较高的稳定性和频率响应特性。     

脉冲压力条件下PVDF压电薄膜的动态响应特性

通过脉冲压力发生装置产生脉冲压力,研究PVDF压电薄膜的动态特性.使用PVDF压电薄膜制作一种测试脉冲压力的传感器,借助标准压阻传感器,测得PVDF压力传感器的灵敏度,计算出灵敏度的不确定度,并将PVDF压力传感器的线性度与压电传感器和压阻传感器作出对比,发现PVDF压力传感器输出稳定.通过比较PVDF压力传感器和标准的压阻传感器输出信号在时域和频域上的相关参数,证实PVDF压电薄膜具备测试动态压力的能力.     

Development of a tactile sensor array with flexible structure using piezoelectric film

This research is the development of a flexible tactile sensor array for service robots using PVDF(polyvinylidene fluoride) film for the detection of a contact state in real time. The prototype of the tactile sensor which has 8X8 array using PVDF film was fabricated. In the fabrication procedure, the electrode patterns and the common electrode of the thin conductive tape were attached to both sides of the 28/im thickness PVDF film using conductive adhesive. The sensor was covered with polyester film for insulation and attached to the rubber base for a stable structure. The proposed fabrication method is simple and easy to make the sensor. The sensor has the advantages in the implementing for practical applications because its structure is flexible and the shape of the each tactile element can be designed arbitrarily. The signals of a contact force to the tactile sensor were sensed and processed in the DSP system in which the signals are digitized and filtered. Finally, the signals were integrated for taking the force profile. The processed signals of the output of the sensor were visualized in a personal computer, and the shape and force distribution of the contact object were obtained. The reasonable performance for the detection of the contact state was verified through the sensing examples.     

Piezoresistive sensors for scanning probe microscopy

In this article we summarize the efforts devoted to the realization of our ideas of the development of piezoresistive sensor family used in scanning probe microscopy. All the sensors described here are fabricated based on advanced silicon micromachining and standard CMOS processing. The fabrication scenario presented in this article allows for the production of different sensors with the same tip deflection piezoresistive detection scheme. In this way we designed and fabricated, as a basic sensor, piezoresistive cantilever for atomic force microscopy, which enables surface topography measurements with a resolution of 0.1 nm. Next, by introducing a conductive tip isolated from the beam we obtained a microprobe for scanning capacitance microscopy and scanning tunneling microscopy. With this microprobe we measured capacitance between the microtip and the surface in the range of 10(-22) F. Furthermore, a modification of the piezoresistors placement, based on the finite element method (FEM) simulation permits fabrication of the multipurpose sensor for lateral force microscopy, which enables measurements of friction forces with a resolution of 1 nN. Finally, using the same basic device idea and only slightly modified process sequence we manufactured femtocalorimeter for the detection of heat energy in the range of 50 pJ.     

基于硅桥的新型甲醛气体传感器的研究

提出了一种基于高分子薄膜溶胀效应的新型MEMS压阻式甲醛气体传感器,其结构由嵌入惠斯通电桥的硅桥和一层改性丙烯酸酯气敏薄膜构成,敏感薄膜因吸收甲醛气体发生溶胀使硅桥上的惠斯通电桥产生输出电压,从而实现对甲醛气体的检测.基于弹性力学薄板原理构建了该气体传感器中硅桥与改性丙烯酸酯薄膜相互作用的模型,并推导出传感器的输出公式.实验结果验证了理论分析模型,实验结果表明该传感器有很好的线性,选择性.实验测得该传感器灵敏度为0.975×106ecr,分辨率为10×10-6,响应时间和恢复时间分别为50s和65s.该传感器结构简单、无须加热,工艺成熟、成本低,应用MEMS 工艺技术可实现与信号处理电路的集成.     

SOI压阻传感器的阳极键合结合面检测

由于当前绝缘体上硅(SOI)压阻传感器芯片的封装质量仍依赖人工检测,本文提出了一种自动实现该项检测的视觉检测方法。分析了压阻传感器的工作原理,研究了芯片定位精度和结合面质量对传感器性能的影响。以传感器性能和质量为导向,提出了一种以中心定位偏差和键合面结合度为检测点的封装结合面检测方法。该方法通过对Hough圆检测效果和实际图像的分析完成定位精度的检测;基于对传感器质量影响因素的分析和气泡面积的统计实现结合面质量的检测。在传感器实际制造封装过程中对该视觉检测算法进行了实验验证。结果表明:该方法能识别的结合面上的最小气泡直径为6μm;玻璃内孔半径检测误差约为0.015mm.。本文提出的基于视觉检测的方法基本满足了压阻传感器封装对结合面检测的要求,有助于实现封装质量的自动化检测。     

Self-sensing piezoresistive cantilever and its magnetic force microscopy applications

A newly developed Si self-sensing piezoresistive cantilever is presented. Si piezoresistive cantilevers for scanning microscopy are fabricated by Si micro-machining technique. The sensitivity of the piezoresistive cantilever is comparable to the current laser detecting system. Topographic images are successfully obtained with the piezoresistive cantilever and some comparisons are made with the laser detecting system. Furthermore, the magnetic film (Co-Cr-Pt) is coated on the tip of the piezoresistive cantilever for magnetic force microscopy (MFM) application. The magnetic images are successfully obtained with the self-sensing MFM piezoresistive cantilever. The self-sensing piezoresistive cantilevers have been successfully applied in scanning probe microscopy and MFM.     

新型纳机电热探针阵列器件数据存储技术研究

对自行研制的一种新型压阻敏感器和电阻加热器一体集成的纳机电热探针阵列传感器进行了存储特性研究。首先对器件电热特性和敏感特性进行测试，测试结果与模拟结果相吻合。在此基础上，进行数据存储测试，借助原子力学显微镜在聚合物有机薄膜上实现了数据写入，并研究了脉冲电压、脉冲宽度及其施加于探针上的力载荷对存储效果的影响，优化写入条件后，数据记录面密度达31．6GB／in^2．     

基于压阻原理的磁流变减振器阻尼力传感器设计

为实现磁流变减振器运行中的健康状态监测并满足轿车磁流变减振器控制器阻尼力的需要,设计了一种可同时测量磁流变减振器压缩和复原行程中动态阻尼力的压阻式力传感器。根据汽车磁流变减振器的工作特性和压阻式压力传感器的设计原则,对阻尼力传感器进行了整体结构设计;采用理论计算与有限元仿真相结合的方法,以达到设计量程、获得较大灵敏度和固有频率为设计目标,确定了传感器芯片尺寸;通过分析论证,确定了传感器芯片型式、制作材料;研究了压阻系数与晶向的关系,确定了电阻排布方向和位置、电阻条尺寸、电阻条折弯数,完成了芯片的版图设计。     

Fabrication of four-point biped robot foot module based on contact-resistance force sensor and its evaluation

This paper presents the design of robot foot module of four-point biped walking robot and its fabrication. The foot module has four sensor units based on contact-resistance force sensor. The thin-film-type force sensor is fabricated by coating resistive ink on thin polyimide film using silk screening technique. The simple structure is devised and fabricated to assemble the thin force sensor rigidly. The unit force sensor module is evaluated by the calibration setup to obtain the characteristics of repeatability and hysteresis. The sensor module presents hysteresis error of about 5% and repeatability error of about 0.37%. The calculated zero moment point (ZMP) of the foot module is also compared with the measured position using static load of 50 N. The maximum location error of ZMP is less than 10%. The robot foot module shows the possibility of applying it to humanoid walking.     

耐高温压阻式压力传感器研究与进展

传统的硅扩散压阻式压力传感器用重掺杂4个P型硅应变电阻构成惠斯顿电桥的力敏检测模式，采用PN结隔离，高温压阻式压力传感器取消了PlN结隔离，与半导体集成电路平面工艺兼容，符合传感器的发展方向。根据力敏材料的分类，分别介绍了多晶硅中高温压力传感器、SiC高温压力传感器和单晶硅SOI（silicon on insulator）高温压力传感器的基本工作原理和国内外的发展现状，重点论述了BESOI（bonding and etch-backSOI）、SMARTCUT和SIMOX（separation by implanted oxygen）技术的SOI晶片加工工艺。以及由此晶片微机械加工成的芯片封装的高温微型压力传感器部分特性，对此领域的发展作了展望。