CN101857186A - 用于三维微力测量的石英光纤微探针 - Google Patents
用于三维微力测量的石英光纤微探针 Download PDFInfo
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Abstract
用于三维微力测量的石英光纤微探针，由探针底座、探杆和探头组成，探针底座由有机玻璃制成，探针底座为一带盲孔的圆柱体，探杆为一底端大、由底端往上依次变小的圆柱形阶梯式石英光纤结构，探杆底端与探针底座盲孔成紧密配合；探杆的顶端配置有探头，探头由探杆顶端的石英光纤纤芯拉制而成，具有精度高、成本低、加工简单、寿命长、抗干扰能力强的特点。
Description
技术领域
本发明属于微力测试技术领域，特别涉及一种用于三维微力测量的石英光纤微探针。
背景技术
近几年来，随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，越来越多的学者与研究机构开始对微观世界进行深入研究。利用MEMS探针式接触传感器对微力进行监测，是深入了解微观世界的一种有效的科学方法。目前MEMS微力传感器探针主要分为两种：1.利用MEMS技术加工的硅微探针：这种探针整体是一根探杆，没有探头，测量误差相对较大；由于硅材料塑性差，而且探针直径很小，因此为了保证探针的正常使用，探针做得很短，使用环境受到了限制。2.金属探针：这种探针由金属探杆与红宝石探头组成，具有较好的刚性。红宝石探头耐磨性能好，但价格昂贵难加工，与金属探杆黏合性能差，易松动，寿命短。金属探杆易受磁场干扰，抗干扰能力弱，误差较大。
发明内容
针对目前现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用于三维微力测量的精度高、成本低、加工简单、寿命长、抗干扰能力强的阶梯式石英光纤微探针。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
用于三维微力测量的石英光纤微探针，由探针底座1、探杆3和探头4组成，探针底座1由有机玻璃制成，探针底座1为一带盲孔2的圆柱体，探杆3为一底端大、由底端往上依次变小的圆柱形阶梯式石英光纤结构，探杆3底端与探针底座盲孔2成紧密配合；探杆3的顶端配置有探头4，探头4由探杆3顶端的石英光纤纤芯拉制而成。
探针加工材料为石英光纤，探针底座1的圆柱体直径为1.6mm，高为1mm。
盲孔2直径为0.9mm，深0.8mm。
探杆3底端直径为0.9mm。
探头4为直径小于或等于40μm的石英球。
探头4由探杆3顶端直径为125μm的石英光纤纤芯拉制而成。
探杆3的圆柱形阶梯式石英光纤结构为三节，其直径依次为900μm、250μm、125μm。
由于加工完成的探针8要安装在传感器敏感单元上，为了降低探针8的自身重量对传感器的干扰，因此，采用比重小，强度大的有机玻璃加工探针底座1；有机玻璃是一种高分子透明材料，它的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，英文简称PMMA，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的，具有表面光滑，透明性好，比重小，强度较大，耐腐蚀，耐湿，耐晒，绝缘性能好，隔声性好，抗干扰强等优点。在传感器封装时可以通过透明的有机玻璃底座实时监测探针的固定安装情况。底座由激光雕刻机加工，成品精度高。
探针的探杆在设计时，两个因素相互限制：为保证被测力通过探针完整的传递到传感器敏感元件上，必须提高探针的刚度，减小探杆的变形；但提高传感器的测量灵敏度和在微尺度下的精确操作，要增加探杆的长度和减小探头的尺度，结果降低了探针的刚度。因此在探杆设计中必须综合考虑这两种约束，优化探杆的相关参数。
为了提高探针的抗干扰能力，增大探针的长度，利用石英光纤加工传感器探杆3。石英光纤具有优良的光学与机械性能：光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便；抗干扰能力强，因为光纤的基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力；由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，光纤成本低；耐腐蚀性好，制作光纤的材料(石英)不易被工业中的酸碱物质所腐蚀。
球形的探头4减小了对被测物的损坏，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的探针底座的立体图。
图2为本发明的探针探杆与探头的立体图。
图3为本发明在传感器上的安装结构图。
图中：1…探针底座；2…探针底座盲孔；3…探杆；4…探头；5…传感器敏感元件；6…敏感元件悬臂梁；7…敏感元件平台；8…探针。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1，2所示，本发明的探针8由探针底座1、探杆3和探头4组成，探针底座1由有机玻璃制成，探针底座1为一带盲孔2的圆柱体，盲孔2直径为0.9mm，深0.8mm，探杆3为一底端大、由底端往上依次变小的圆柱形阶梯式石英光纤结构，探杆3底端直径为0.9mm，由于石英光纤外层有一定的弹性，因此探杆3底端可以与探针底座盲孔2紧密配合；将底端涂有环氧树脂的探杆3装配到盲孔2中，并在60℃环境下烘干一个小时，使其固定形成图3中的探针8；探头4为直径小于或等于40μm的石英球，由探杆3顶端直径为125μm的石英光纤纤芯拉制而成。
如图3所示，基于激光定位法结合黏贴法将探针8安装到传感器敏感元件平台7上，外界被测力作用到探头4上，经探针8传递到传感器敏感元件平台7上，使敏感元件悬臂梁6产生变形，引起悬臂梁6上的压敏电阻变化，输出电压，测得作用力。
Claims (7)
1.用于三维微力测量的石英光纤微探针，由探针底座(1)、探杆(3)和探头(4)组成，其特征在于：探针底座(1)由有机玻璃制成，探针底座(1)为一带盲孔(2)的圆柱体，探杆(3)为一底端大、由底端往上依次变小的圆柱形阶梯式石英光纤结构，探杆(3)底端与探针底座盲孔(2)成紧密配合，探杆(3)的顶端配置有探头(4)，探头(4)由探杆(3)顶端的石英光纤纤芯拉制而成。
2.根据权利要求1所说的石英光纤微探针，其特征在于：探针加工材料为石英光纤，探针底座(1)的圆柱体直径为1.6mm，高为1mm。
3.根据权利要求1所说的石英光纤微探针，其特征在于：盲孔(2)直径为0.9mm，深0.8mm。
4.根据权利要求1所说的石英光纤微探针，其特征在于：探杆(3)底端直径为0.9mm。
5.根据权利要求1所说的石英光纤微探针，其特征在于：探头(4)为直径小于或等于40μm的石英球。
6.根据权利要求1或5所说的石英光纤微探针，其特征在于：探头(4)由探杆(3)顶端直径为125μm的石英光纤纤芯拉制而成。
7.根据权利要求1所说的石英光纤微探针，其特征在于：探杆(3)的圆柱形阶梯式石英光纤结构为三节，其直径依次为900μm、250μm、125μm。
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