Измерение силы является чем-то очень распространенным - это делают все коммерческие кухонные весы. Однако измерение силы является сложным, если вы также хотите измерить направление силы, если вам нужно измерять с высокой точностью, и если датчик также должен быть уменьшен до размера микрометра.
В Венском технологическом университете все эти требования теперь выполнены: был разработан крошечный сенсорный чип диаметром менее одной десятой миллиметра. Говорят, что он улучшает атомно-силовые микроскопы и, возможно, может также снабдить роботов высокочувствительным инстинктом.
датчик
Как работают датчики и где они используются
Мера во всех направлениях
«Большинство датчиков силы могут измерять силы только в одном направлении», - говорит Александр Дабш, аспирант в команде профессора Франца Кеплингера из Института сенсорных и исполнительных систем Венского технического университета. «Но этого недостаточно для многих применений, например, если вы скользите тонким кончиком атом за атомом по шероховатой поверхности в атомно-силовом микроскопе. Тогда силы появляются в разных направлениях, из которых можно получить ценную информацию ».
Поэтому в Венском политехническом университете был разработан датчик силы, который может сделать гораздо больше: он не только измеряет направление силы во всех трех пространственных измерениях, он также может точно определять кручение, то есть пространственное скручивание. Чип имеет квадратную рамку, которая легко изгибается внешними силами. Посередине - крестообразная структура, сделанная из кремниевых проводов, тонких, как мухи.
«Подобно гитарной струне, эта кремниевая структура может вибрировать», - объясняет Александр Дабш. «Мы можем специально стимулировать эти колебания, применяя внешнее магнитное поле, а затем позволяя току течь через структуру. Это создает силу, которая вызывает вибрации.
Когда вы настраиваете гитару, вы изменяете натяжение струны и неожиданно слышите другой тон - и датчик использует точно такой же принцип, чтобы измерять воздействие силы и изгиба на раме. Частоты колебаний кремниевой структуры изменяются, когда внешняя сила изгибает датчик. «Частота колебаний может быть измерена с точностью до нескольких герц, что позволяет нам определять отклонения на чипе с точностью до нанометрового диапазона», - объясняет Дабш.
Прототип успешно завершен
Проект был поддержан финансированием прототипа ПРИЗ от Федерального министерства науки, исследований и экономики - программы финансирования, позволяющей преобразовать идеи академических исследований в рыночные прототипы. Инновационный датчик силы уже был зарегистрирован для получения патента при поддержке исследовательской и трансферной поддержки Венского технического университета, метод измерения и первые результаты были опубликованы в журнале «Микромеханика и микротехника».
Новая измерительная технология предлагает множество способов применения: «После того, как наш датчик чрезвычайно компактен, имеет смысл подумать об использовании его в атомно-силовых микроскопах», - говорит Александр Дабш. «Но, конечно, есть и много других вариантов - от мониторинга механических отклонений в зданиях до точной робототехники, например, если машина должна обрабатывать особо чувствительные объекты, к которым может быть приложена только очень специфическая максимальная сила».
Эта статья впервые появилась на нашем партнерском портале Elektronikpraxis.de.