基于力敏Z元件的机器人触觉传感器的研制

1、本文由【中文word文档库】 搜集整理。中文word文档库免费提供海量教学资料、行业资料、范文模板、应用文书、考试学习和社会经济等word文档基于力敏Z元件的机器人触觉传感器的研制刘琦 顿向明（上海交通大学机械工程系 上海 201100）摘要：从Z元件的“L”型伏安特性出发，探讨了Z元件的力敏现象，在此基础上介绍了一种用于机器人的触觉传感器的研制方法。关键词力敏Z 元件触觉传感器The Development of Robot Tactile Sensors on the Base of Force Sensitive Z-ElementLIU Qi DUN Xiang-ming(The De

2、partment of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 201100)Abstract: On the basis of explaining L-form current-voltage characteristic, the force-sensitive phenomenon of Z-element is discussed. Then a new robot sensitive sensor is introduced on the basis of discussion.Key word

3、s Force - sensitive Z element Tactile sensor0 引言触觉传感技术的研究是智能机器人感知系统最需解决的问题和研究重点之一。目前触觉传感器按照其敏感材料、感知机理大致可分为以下六种:机械式、压阻式、电容式、压电式、磁电式和光电式。无论何种触觉传感器,都不尽如人意,因此,寻找新的敏感材料就显得尤为重要。Z元件是由俄罗斯传感器专家V.ZOTOV教授发明的一种N区被重掺杂补偿的特种PN结。该元件的最大优点就是无需前置放大和A/D转换器就可以直接输出开关信号或频率信号，并可与计算机直接通讯。目前，对温敏、光敏、磁敏Z元件的研究已经有了一定的进展,但由于Z元件体积

4、很小，非常薄脆，对力敏Z元件的研究一直处于探索中。1 力敏Z元件的力敏特性力敏Z元件的工作原理是：利用不同扩散源的扩散特征，即普通的PN结结构从另一侧对N区进行穿透性金（或铜或锌）扩散，形成独特的半导体敏感元件1。在电路中Z元件作为PN 结处于正向偏置状态，在负载电阻R上获得输出信号。力敏Z元件可以简化为一个PN结外加一个敏感层的复合结构，该敏感层的应用特性取决于节区附近的电子和空穴的定量关系。当力敏Z元件受力发生弯曲变形时，内部应力作用于载流子，电子和空穴上使载流子偏离原来的运动方向，因此Z元件的导电能力发生变化。如果在P区加力，由于P区受压缩，使细丝电流变窄，N区的电子注入P区的速率降低，

5、使Z元件的导电能力减小，同样道理，如果在N区加力，由于N区受拉伸，使细丝电流变宽，N区的电子注入P 区的速率增加，使Z元件的导电能力增强，因此电流增加。正是由于敏感层结构的这个特点，从而使Z元件具有了力敏特性。2 力敏Z元件的伏安特性图1为力敏Z元件的正向“L”型伏安特性,该特性分成三个工作区:高阻区,负阻区,低阻区，即图中的M1，M2，M3区。可以用四个特征参数来描述这个特性: Ith 为阈值电流, If为导通图1 力敏Z元件的伏安特性图电流,V th为阈值电压,V f为导通电压。M1 区动态电阻很大而M3区动态电阻很小,从M1 区到M3 区的转换时间很短。力敏Z元件具有“高阻态”和“低阻态

6、”两个稳定的工作状态,工作的初始状态可按需要设定。若静态工作点设定在M1 区,Z元件处于稳定的高阻状态,作为开关元件在电路中相当于“阻断”。若静态工作点设定在M3 区,Z2元件将处于稳定的低阻状态,作为开关元件在电路中相当于“导通”2。在正向伏安特性上有一点P,称为阀值点, 阀值点点对外部力作用十分敏感,其灵敏度要比伏安特性上其它诸点要高许多。利用这一性质,可通过力作用,促成工作状态的一次性转换或周而复始地转换,就可分别输出开关信号或脉冲频率信号3 。3 力敏Z元件的工作及输出电路力敏Z元件的最大优点就是无需前置放大和A/D转换器就可以直接输出开关信号或频率信号，并可与计算机直接通讯4，因此其

7、应用电路十分简单，基本工作电路如图2所示。在 图2 力敏Z元件的工作电路该电路中,Z 元件作为PN 结处于正向偏置状态,在负载电阻R 上可得到电压输出。4 力敏Z元件在触觉传感器中的应用根据力敏Z元件的上述性质和特点，我们可以利用力敏Z元件研制成用于机器人手爪的阵列式触觉传感器，其传感器原理如下图3，当机器人手爪抓住物体时，传感器的探头受力，图3 触觉传感器原理图弹性体变形，探头向下剂压Z元件，这样探头所受的较大的力就变成较小的力传递给力敏Z元件，就实现了机器人触觉的传感。5 结束语用普通PN结制成的力敏Z元件具有电路简单，输出信号大抗干扰能力强等优点，利用该特性研制的阵列式触觉传感器具有可靠，小型化的特点，很适合用作机器人的触觉传感器。 参 考 文 献1 关丛荣，孙喜文. 力敏Z元件的性能及在力传感器中的应用.黑龙江工程学院学报（自然科学版），2004，2：29-302 李坡，赵旭等.力敏Z元件与新型力数字传感器.传感技术学报，2005，2：419-4203 付云鹏.Z半导体敏感元件原理与应用-Z元件及其应用开发综述J.传感器世界，200