MEMS触觉传感器课程设计报告PPT第一部分.ppt

用于机器人指尖的微型触觉传感器的设计 2011年7月16日 DesignofMicro TactileSensorUsedinRobotFingertip 一 二 三 四 五 主要内容 一 绪论 1 1关于微电子机械系统 1 2关于MEMS触觉传感器 1 3机器人触觉传感器 1 4本课程设计的研究意义和主要内容 一 绪论 1 1关于微电子机械系统 需求 内容 发展 微电子技术 微机械技术 LIGA技术 牺牲层技术 各向异性腐蚀技术 深刻蚀技术 微电子机械系统 一 绪论 1 1关于微电子机械系统 需求 内容 发展 随着 微电子机械系统 半导体集成电路 微细加工技术 超精密机械加工技术 发展而发展 涉及 电子 机械 材料 制造 信息与自动控制 化学 生物等 融合当今科学技术发展成果 是一个多学科 高技术的新兴领域 一 绪论 1 1关于微电子机械系统 发展 内容 需求 汽车工业 惯性制导 生物医学 军事应用 微电子机械系统 全光网络 无线通信 生物芯片 微流量计部件 分布传感与控制 通信领域 信息技术 一 绪论 1 1关于微电子机械系统 工作效率高 集成化 多学科交叉 机械性能优良 微型化 MEMS技术特点 一 绪论 1 1关于微电子机械系统 其它MEMS类 流体和生物化学MEMS类 光学MEMS 射频MEMS 传感器类MEMS 生物医学技术 军事国防 射频通讯 光学 汽车行业 MEMS研究方向 MEMS应用前景 一 绪论 1 2关于MEMS触觉传感器 是生物体获取外界信息的重要知觉形式是机器人获取环境信息的仅次于视觉的重要知觉形式是机器人实现与外界环境直接作用的必须媒介好的系统连接率 广义 狭义 触觉 压觉 力觉 滑觉 冷热觉 机械手与对象接触面上的力感觉 获取对象与环境信息和为某种作业任务而对机器人与对象 环境相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知 通过触觉可获知目标物体的多种物理信息 如目标物的形状 表面硬度 粗糙度 纹路 抖动等信息 一 绪论 1 2关于MEMS触觉传感器 MEMS敏感结构输出信号方式 电容式压阻式隧道电流式等 传感器优点 体积小成本低灵敏度高 提高MEMS传感器性能的具体措施 改进敏感材料改进器件结构改进现有工艺改进工作原理 一 绪论 1 3机器人触觉传感器 操作对象的物理性质 在检测基础上提取操作对象的形状 大小 刚度等特征 以进行分类和目标识别 机器人触觉传感器功能 一 绪论 1 3机器人触觉传感器 70年代 80年代 90年代 国外机器人研究已成热点 触觉技术研究才开始且很少 研究仅限于与对象的接触与否 接触力大小 虽有一些好的设想 但研制出的传感器少且简陋 机器人触觉传感技术研究 发展的快速增长期 研究分为传感器研制 触觉数据处理 主动触觉感知三部分 突出特点是以传感器装置研究为中心 主要面向工业自动化 对工程问题的研究 增加对传感器作用的了解 改进了机器人的灵巧手 使多指手对对象的操作性能有了相当大的进步 触觉应用于医疗领域 一 绪论 1 4本课程设计的研究意义和主要内容 主要内容 用于机器人指尖的触觉传感器中传感单元的阵列排布设计 研究了传感单元结构参数对传感单元性能的影响机理 详细讨论了敏感梁 传力杆 中心连接体各个结构参数对传感单元应力检测灵敏度 线性 平滑度的影响 研究了加工过程中有关压阻 KOH腐蚀等关键工艺 制定了工艺流程并设计了制造版图 研究意义 通过对触觉传感器以及机器人触觉传感器的国内外研究状况的分析 目前对触觉传感器的研究技术与其他传感器相比还处于相对落后的地位 尤其是用于机器人的触觉传感器 因此 本课程设计了一种用于机器人指尖的触觉传感器 其独特的传感单元阵列布局 以及优化的传感单元结构 能够使触觉传感器的特性增强 灵敏度更高 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 1整体结构设计 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 如检测到一个或两个传感单元的数据与其他的一个或两个数据不同 就可以推测出指尖接触的是物体的边缘 采用等边三角形的方式布置传感单元 保证了传感系统的对称性 图2 1传感单元的分布图Fig2 1Thearrangementofthesensorunit 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 2传感单元工作原理 图2 2传感单元封装图Fig2 2Thepackagingofthesensor 图2 3传感单元模型图Fig2 3Themodelofthesensorunit 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 2传感单元工作原理 图2 4传感单元的工作原理示意图Fig2 4Theprincipleofthesensorunit a 轴向模式 a Axialmodule b 横向模式 b Lateralmodule 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 3传感单元力学模型 图2 5传感单元在轴向分力作用下变形图Fig2 5Thesensorunitundertheaxialload 图2 6梁受力和力矩作用的等效模型Fig2 6Theequalmoduleundertheloadofforceandmoment 1 轴向负载下力学模型 轴向刚度分析 轴向负载下的梁应力分布 轴向负载下传感单元应力检测的灵敏度 2 1 2 2 2 3 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 3传感单元力学模型 1 轴向负载下力学模型 结论 在轴向负载情况下 对梁的刚度有影响的只有梁的尺寸参数 与宽度和厚度成正比 与长度成反比 传感单元的应力检测灵敏度只和梁的厚度和长度有关 与厚度成正比 与长度反比 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 3传感单元力学模型 图2 7传感单元受横向分力约束及变形示意图Fig2 8Thesensorunit sdeformationunderthelateralforce 图2 8梁在力和力矩作用下的弯曲和平移Fig2 10Thebendandtranslationofbeamundertheloadofforceandmoment 2 横向负载下力学模型 x或y轴的刚度 横向负载下的梁应力分布 横向负载下传感单元应力检测的灵敏度 2 4 2 5 2 6 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 3传感单元力学模型 2 横向负载下力学模型 结论 在横向负载下 对刚度有影响的是梁的尺寸参数 传力杆长度和中心连接体的高度 以及中心连接体下表面的边长 传感单元结构的很多参数都会对敏感梁横向应力检测的灵敏度造成影响 应力检测的灵敏度与梁的宽度无关 与梁的厚度成线性关系 与传力杆的长度呈简单的倒数关系 但是 与梁的长度和结构中心连接体下表面的厚度之间的关系比较复杂 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 4传感单元信号检测 灵敏度高 动态响应快 测量精度高 稳定性好 工作范围宽 易于微型化 便于批量生产 基于硅的压阻效应 利用MEMS硅微加工工艺 将压阻集成在敏感梁表面 方法 优点 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 4传感单元信号检测 1 硅的压阻效应和压阻系数 其中 1表示压阻长度方向的正应力 在本文涉及到的压阻排布方式中 这个方向就是各个梁的方向 本课程设计涉及的条形电阻 电阻上每个点在梁上的位置不同 所以整个压阻条承受了非均匀应力 所以整个压阻的阻值可以表示为 2 7 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 4传感单元信号检测 2 压阻的排布方式及信号检测方法 b 受横向力 b underthelateralload a 受轴向力 a undertheaxialload 应力分布特点 1 应力集中区很小 分布在敏感梁和中心连接体和外框架的连接处 但是在敏感梁的其他部位 应力很小 2 应力方向性很好 延梁方向的应力比垂直与梁方向的应力大好几倍 压阻排布 图2 10压阻在敏感梁上的排布示意图Fig2 10Thearrangementofthepiezoresistanceonthebeam 图2 9传感单元在力的作用下的应力分布图Fig2 9TheStressdistributionofthesensorunitundertheloadofforce 二 触觉传感器的结构设计和理论分析 2 4传感单元信号检测 2 压阻的排布方式及信号检测方法 压阻一般采用惠斯通电桥来检测 当传感单元受到负载作用时 敏感梁上扩散电阻条的阻值将发生变化 从而使惠斯通电桥产生不平衡而产生输出信号 由于敏感梁的变形正比于外加负载 所以在输出端的信号也为线性 当R1 R2 R12 R R1 R2 R12 R 可得到 图2 11三维压阻检测电桥Fig2 11Theelectricalbridgeof3dimensionalpiezoresistancedetection 2 8 2 9 2 10 三 传感单元的结构设计和参数仿真优化 考虑传感单元的安装空间限制 MEMS工艺加工工艺各方面的严格限制 基本尺寸范围为 传感单元的整体尺寸5mm 5mm 0 4mm 传力杆的边长设为0 8mm 在此基础上 还参考了一些同类传感器的结构尺寸 初步确定作为标准的传感单元结构尺寸 tb 0 025mm wb 0 4mm lb 0 75mm wi 0 8mm l