CN108827512A - 一种采用硅扭簧的微推力测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种采用硅扭簧的微推力测量装置，具体为一种通过硅的微加工工艺制作的硅扭簧，利用硅扭簧和光路将微推进器的微推力位移进行放大，从而实现对微小推力的高灵敏度测量。微推力测量装置能够对微推进器的推力性能进行直接的测量和评估，在微推进器的研发和评估中起着重要的作用。此外，在一些新兴领域包括空间卫星控制技术、生物力学、微型机器人以及仿生学等也对微牛级、纳牛级以及更小力的推力测量技术有着越来越高的要求，本发明属于航空、航天、微力测量、微推进技术和微机械领域。
Description
技术领域
本发明是一种采用硅扭簧的微推力测量装置，具体为一种通过硅的微加工工艺制作的硅扭簧，利用硅扭簧和光路将微推进器的微推力位移进行放大，从而实现对微小推力的高灵敏度测量。微推力测量装置能够对微推进器的推力性能进行直接的测量和评估，在微推进器的研发和评估中起着重要的作用。此外，在一些新兴领域包括空间卫星控制技术、生物力学、微型机器人以及仿生学等也对微牛级、纳牛级以及更小力的推力测量技术有着越来越高的要求，本发明属于航空、航天、微力测量、微推进技术和微机械领域。
背景技术
目前，国内外研究的微推力测量的结构主要有天平结构、单摆结构、扭丝悬挂扭摆结构等。2000年，美国加利福尼亚大学采用铝合金天平结构进行微推力的测量，天平结构的中心位于刀口支点上，微推进器位于天平结构的一端，另一端采用力传感器测量微推力。但整个装置的初始平衡状态难调整，微推进器自身重力和引线也对测量结果存在很大影响。2012年，哈尔滨工业大学设计了三丝扭摆结构的微推力在线测量方法，可是，该方法的滑轮摩擦阻力和三丝平台在微推力作用下的扭摆都会导致推力测量的偏差。2014年，东北大学设计了一种三角结构铝型材利用上下拉紧的钨丝组成并联扭秤系统的微推力测量装置，通过光路系统可实现对微小扭转角度的放大测量，并采用通电导体在磁场中受到的安培力作为系统的标定力。该方法的缺点为标定方法中的线圈和导体的供电线路会产生标定阻力，影响测量精度。2015年，南洋理工大学采用一种天平结构的装置，通过静电力校准器进行力的标定，然后由位移传感器检测天平一端在微推力作用下产生的位移变化，从而得到推进器的微推力大小。该方法的缺点是整体体积大、安装复杂、引线会产生标定阻力。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量方法中引线产生的额外力矩、摩擦力对测量精度的影响以及标定困难等缺点，而提出采用硅的微加工工艺制作一种硅扭簧测量装置。本发明的硅扭簧是由一系列微加工工艺制成的天平结构，中间具有反光镜，硅扭簧被安装在顶部带有刻度线的玻璃罩内，玻璃罩上装有激光光源，激光光源斜射在反光镜上，当微推进器喷口产生的微推力使硅扭簧扭转时，投射在反光镜上的反射光线随硅扭簧发生偏转，通过反射光线在刻度线上移动的距离来确定偏转角大小，进而获得微推力的数值。本发明的偏转角度可采用无引线的重力标定，标定方法简单易行，克服了介质供液管路、供电导线带来的附加力矩以及摩擦力对标定结果的影响。
本发明采用如下技术方案：
采用硅扭簧的微推力测量装置包括硅扭簧27，反光镜12，微推进器6，微推进器支架7，硅扭簧支架Ⅰ11，硅扭簧支架Ⅱ8，底座9，微推进器固定件10，硅扭簧固定件Ⅰ20，硅扭簧固定件Ⅱ21，玻璃罩14，激光光源13。
所述硅扭簧27为对称结构，由硅片通过微加工工艺制成，包括硅扭簧固定端Ⅰ1，硅扭簧固定端Ⅱ5，扭簧梁Ⅰ2，扭簧梁Ⅱ4和摆转板3，整体厚度为150μm-350μm；
所述摆转板3宽度为7000μm-9000μm，长度为45mm-47mm；
所述扭簧梁Ⅰ2和扭簧梁Ⅱ4长14mm-16mm，宽度为150μm-200μm，分别与摆转板3两侧中间位置相连，在硅扭簧Ⅰ2另一端加工出硅扭簧固定端Ⅰ1，扭簧梁Ⅱ4另一端加工出硅扭簧固定端Ⅱ5；
所述硅扭簧固定端Ⅰ1、硅扭簧固定端Ⅱ5的宽度约为2500μm-3500μm，长度约为4500μm-5500μm；
所述反光镜12为采用溅射工艺，在摆转板3上中间位置溅射一层金属铬，形状为圆形，直径约为4000μm-6000μm；
所述微推进器支架7、硅扭簧支架Ⅰ11、硅扭簧支架Ⅱ8、微推进器固定件10、硅扭簧固定件Ⅰ20、硅扭簧固定件Ⅱ21和底座9为工程塑料或铝合金材料通过铣削的加工方式制成，硅扭簧支架Ⅰ11、硅扭簧支架Ⅱ8高度为40mm-60mm，微推进器支架7高度为25mm-35mm；
所述的微推进器固定件10与微推进器支架7、硅扭簧固定件Ⅰ20与硅扭簧支架Ⅰ11、硅扭簧固定件Ⅱ21与硅扭簧支架Ⅱ8之间的连接方式都采用螺钉拧紧固定。
所述玻璃罩14直径为80mm-100mm，顶部弧面上标有刻度线，内部放置硅扭簧微推力测量装置，外部用激光光源13以与水平夹角为30°～60°的角度照射在反光镜12上。
本发明微推力测量装置使用方法，如附图6所示：
力标定方法：
首先，在微推进器6停止工作状态下，用激光光源13在玻璃罩14装置外以与水平夹角为30°～60°的角度照射在反光镜12上，反射光线Ⅰ16投影在玻璃罩14顶部弧面的刻度尺18上某一位置。然后，在摆转板3的一端放置标定砝码使摆转板3产生倾斜角，保持入射光线15不变，此时的反射光线Ⅱ17在刻度尺18上的位置发生移动，由此可得到标定力与光线位移的关系。
测量方法：
首先，保持入射激光光源13的角度与标定时的入射角度相同，在微推进器6停止工作状态下，摆转板3处于水平的平衡状态，反射光线Ⅰ16投影在玻璃罩14顶部弧面的刻度尺18上某一位置。然后，使微推进器6处于工作状态下，这时，微推进器6喷口产生的微推力会使硅扭簧27的摆转板3产生倾斜，此时的反射光线Ⅱ17在刻度尺18上会产生相应位移，根据事先用砝码标定得到的标定力与光线位移的关系，即可测得微推力的大小。
本发明可以获得如下有益效果和特点：1)硅扭簧由一系列加工工艺直接制成，属于无摩擦的连接形式，在扭转过程中避免了摩擦力的影响。2)采用间接的测量方式，可以忽略微推进器自身重力影响。3)标定方法简单易行，尽可能减小介质供液管路、供电导线带来的附加力矩以及摩擦力对标定结果的影响。4)利用光路对力的作用效果进行有效放大，从而保证测量装置有较高灵敏度。
附图说明
图1：本发明微推力测量装置整体剖视图；
图2：本发明微推力测量装置传动结构视图；
图3：本发明硅扭簧结构视图；
图4：本发明硅扭簧支架结构视图；
图5：本发明推进器安装位置示意图；
图6：本发明微推力测量装置工作原理图；
图7：本发明硅扭簧制作工艺过程图一；
图8：本发明硅扭簧制作工艺过程图二；
图9：本发明硅扭簧制作工艺过程图三；
图10：本发明硅扭簧制作工艺过程图四；
图11：本发明硅扭簧制作工艺过程图五；
图12：本发明硅扭簧制作工艺过程图六；
图13：本发明硅扭簧制作工艺过程图七；
图14：本发明硅扭簧制作工艺过程图八；
图15：本发明硅扭簧制作所需掩膜版图形；
图中：1.硅扭簧固定端Ⅰ，2.扭簧梁Ⅰ，3.摆转板，4.扭簧梁Ⅱ，5.硅扭簧固定端Ⅱ，6.微推进器，7.微推进器支架，8.硅扭簧支架Ⅱ，9.底座，10.微推进器固定件，11.硅扭簧支架Ⅰ，12.反光镜，13.激光光源，14.玻璃罩，15.入射光线，16.反射光线Ⅰ，17.反射光线Ⅱ，18.刻度尺，19.倾斜后的摆转板位置，20.硅扭簧固定件Ⅰ，21.硅扭簧固定件Ⅱ，22.硅片，23.二氧化硅，24.氮化硅，25.正光刻胶，26.掩膜版，27.硅扭簧。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明中的硅扭簧，可以由硅片通过湿法腐蚀法制作，具体工艺流程如下所示：
(a)附图7，清洗硅片22，并烘干；
(b)附图8，在1000℃炉温下氧化约20min，在硅片22表面氧化一层二氧化硅23；
(c)附图9，在二氧化硅23表面上沉积一层约0.6μm-0.8μm的氮化硅24；
(d)附图10，将硅片22在200℃预热20min，然后旋涂约2μm-3μm厚的正光刻胶25，在100℃条件下前烘90s；
(e)附图11，将掩膜版26与硅片22对准，然后进行紫外线曝光约75s，再进行显影约60s；
(f)附图12，可以采用RIE刻蚀工艺，用CF4气体刻蚀氮化硅24，再用SF6气体刻蚀二氧化硅23；或者采用湿法腐蚀工艺，用浓度为85％浓磷酸加热到160℃腐蚀氮化硅24，再用BHF溶液腐蚀二氧化硅23；
(g)附图13，用丙酮溶液去除正光刻胶25，然后配40％的KOH腐蚀液，在恒温80℃水浴条件下进行腐蚀约4.5小时；
(h)附图14，用浓磷酸去除氮化硅24，然后用BHF溶液去除二氧化硅23，再用去离子水清洗腐蚀后得到的硅扭簧27。
本发明将上述加工好的带有硅扭簧固定端Ⅰ1、硅扭簧固定端Ⅱ5、扭簧梁Ⅰ2、扭簧梁Ⅱ4和摆转板3的硅扭簧27采用螺钉紧固的方法，将硅扭簧固定端Ⅰ1安装在硅扭簧支架Ⅰ11上，硅扭簧固定端Ⅱ5安装在硅扭簧支架Ⅱ8上，将微推进器6安装在摆转板3一端的微推进器支架7上且微推进器喷口距离摆转板3下表面约3mm-5mm，摆转板3中间位置采用溅射工艺制成一个圆形反光镜12，整个硅扭簧装置放入顶部带有刻度线的玻璃罩14内中间位置，外部可以用激光光源13照射，制成采用硅扭簧的微推力测量装置。
以上为本发明的一个优选实施例，但是本发明的内容不仅仅局限于此。
Claims (3)
1.一种采用硅扭簧的微推力测量装置，其特征在于：包括硅扭簧，反光镜，微推进器，微推进器支架，硅扭簧支架Ⅰ，硅扭簧支架Ⅱ，底座，微推进器固定件，硅扭簧固定件Ⅰ，硅扭簧固定件Ⅱ，玻璃罩，激光光源；
所述硅扭簧为对称结构，由硅片通过微加工工艺制成，包括硅扭簧固定端Ⅰ，硅扭簧固定端Ⅱ，扭簧梁Ⅰ，扭簧梁Ⅱ和摆转板；
所述扭簧梁Ⅰ和扭簧梁Ⅱ分别与摆转板两侧中间位置相连，在硅扭簧Ⅰ另一端加工出硅扭簧固定端Ⅰ，扭簧梁Ⅱ另一端加工出硅扭簧固定端Ⅱ；
所述反光镜为采用溅射工艺在摆转板上中间位置溅射的一层金属铬；
所述的微推进器固定件与微推进器支架、硅扭簧固定件Ⅰ与硅扭簧支架Ⅰ、硅扭簧固定件Ⅱ与硅扭簧支架Ⅱ之间的连接方式都采用螺钉拧紧固定；
所述玻璃罩顶部弧面上标有刻度线，内部放置硅扭簧微推力测量装置，外部用激光光源以与水平夹角为30°～60°的角度照射在反光镜上。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，力标定方法：
首先，在微推进器停止工作状态下，用激光光源在玻璃罩外以与水平夹角为30°～60°的角度照射在反光镜上，反射光线Ⅰ投影在玻璃罩顶部弧面的刻度尺上某一位置；然后，在摆转板的一端放置标定砝码使摆转板产生倾斜角，保持入射光线不变，此时的反射光线Ⅱ在刻度尺上的位置发生移动，由此得到标定力与光线位移的关系。
3.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，测量方法：
首先，保持入射激光光源的角度与标定时的入射角度相同，在微推进器停止工作状态下，摆转板处于水平的平衡状态，反射光线Ⅰ投影在玻璃罩顶部弧面的刻度尺上某一位置；然后，使微推进器处于工作状态下，这时，微推进器喷口产生的微推力会使硅扭簧的摆转板产生倾斜，此时的反射光线Ⅱ在刻度尺上会产生相应位移，根据事先用砝码标定得到的标定力与光线位移的关系，测得微推力的大小。
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