用于评估MEMS和计算输入设备的设计和适用性的精密力-位移测量

结构的总体设计和健身micromeasuring设备或微机电系统(MEMS)需要验证的力-位移特性,利用这些系统在广泛的应用中,从机器人技术和生物系统和micro-assembly微调。

Bruker的UMT Tribeolab™测试系统能够在大位移(µm ~ mm)和力(mN ~ kN)范围内精确可靠地进行这种精密测量。这种适应大范围位移和力测量框架的非凡能力使TriboLab系统优于其他测量仪器。本文讨论了MEMS杠杆臂和计算机键盘的工作特性。

力和位移数据在微机电系统、微开关、键盘等宏微元件的设计验证中起着至关重要的作用。为了实现特定的功能，这些设备的设计具有特定的刚度和结构考虑。为了获得结构刚度——设计弹性体的一个重要因素——可以利用力-位移图。力-位移的快速测量允许这样的组件为预期的功能和高质量进行评估。这种测量也有助于理解由屈曲引起的结构失稳，特别是在音乐和计算仪器中使用的键和开关输入设备的情况下。

根据组件的范围,这种测量的力的范围可以从几mN kN,和位移范围可以从几个不同µm的mm。力量的城市轨道交通TriboLab测试系统有能力执行高度精确的测试,覆盖范围广泛的力和位移。TriboLab测试系统配备了高精度的gold系列力和位移传感器，包括应变计、LVDT和电容技术，使该系统比市场上其他测量设备具有优势。TriboLab测试系统的这一特性和其他特性使其成为MEMS、计算附件、机器人、精密仪器和科学仪器、微操作器、执行器和传感器制造商有价值的力-位移测量工具。

UMT Tribeolab测试系统

UMT Tribeolab测试系统已经在通用机械测试（UMT）平台上构建，这是行业的先驱，用于高精度控制负载，位置和速度。这种新颖系统的模块化设计增强了对宽范围力和位移进行测试的灵活性。测试仪包括用于在X，Y和Z方向上的位移的三个主要驱动系统。该系统与智能硬件和软件接口集成，使其成为一个异常用户友好的，生产和多功能的测试工具。Triboscript™软件提供了安全和改进的脚本界面，以便于从已经内置块中轻松汇编力 - 位移测试序列。

TriceOID™功能执行自动检测连接到系统的不同组件，这是正常运行所需的。此功能还配置组件。系统中配备的自动定位装置基于光学显微镜技术，并使用户通过检查测试样本来选择测试位置。然后，样品通过测试探针下的系统定位，以在特定位置执行测量。这是处理微小试样的重要附件，并对这些样本内的较小的子结构进行测试。系统中配备的实时控制和数据分析软件可确保高可重复性和准确性。一系列金串行力传感器（例如，FVL：1-100 MN; DFM系列：0.05-20 N; FL：5-500mN; DFH系列：0.5-2 kN）进行测试。系统中提供的电容和LVDT传感器分别为μm和mm范围的精确位移测量。

测试结果

下面将讨论使用Bruker的UMT TriboLab测试系统在不同范围内对MEMS杠杆臂和键盘进行力-位移测试的示例结果。

MEMS杆臂上的低范围的力 - 位移测量

Mn和μm范围内的力 - 位移测量通过使用通过MEMS杠杆臂进行UMT Tribeolab测试系统配有金色系列FL传感器和电容传感器。利用直径为1mm的碳化钨球探针尖端进行测量。图1示出了在0-1μm位移和0-5mN力范围内的杠杆臂样本的力 - 位移曲线。尽管测量的力范围大约为力传感器的全规模的1％，但数据散射最小。可以使用声学外壳和抗振表来在低力范围内进行测量，以进一步减少数据散射。图1中所示的杠杆臂的力位移指定了线性弹性行为。

图1。使用金系列FL传感器和盖子传感器的力 - 位移曲线达到5米。

通过增加负载水平进一步测试杠杆的力 - 位移特性。高达50和400mn的力 - 位移曲线图分别在图2和3中示出。图2示出了直到50mN的线性弹力 - 位移行为，图3显示了大约在250mN后的非线性力 - 位移行为的开始。在250毫升的载荷后，标本的刚度开始增加。超过400米，最大位移约为82μm。图1至3中描绘的结果证明了TriceLab测试系统在较低力和位移范围内进行高精度测量的能力。

图2。使用金系列FL传感器和盖子传感器的力 - 位移曲线曲线达到50毫安。

图3。使用金系列FL传感器和帽传感器的力 - 位移曲线高达400 MN。

键盘键对键盘键的力量测量

对于这些测量，将计算机键盘安装在Tribeolab测试系统Y级，并且使用放置在力传感器下方的圆柱探针的平坦表面逐渐向下推动键。

将LVDT传感器和DFM-0.5力传感器固定在支架上Triceolab测试系统测量位移和力的值。使用来自TriboLab测试系统的Z-encoder数据，也可以测量常见的键盘按键位移范围。图4描述了测试设置的一部分。

图4。一个键盘上的力-位移测量的测试设置的近景。

图5描绘了示出三个区域的计算机键盘键的力 - 位移曲线图。首先，力相对于位移增加并达到最大值。图5示出了相应的力，表示为峰值力f_P.．力的值减小，直到它达到钥匙超出峰值力时的最小值。但是，在此期间，流离失所继续增加。达到最小值后，力开始增加。这些力位移特性确认了关键的底层结构的屈曲。类似于图5中的最小的力是致动力f_一种．力 - 位移曲线斜面有助于评估键盘部件的触觉响应。参数F._P.和F_一种对于制造商和用户都是有用的，因为这些参数代表了舒适，耐用性和质量。

图5。使用DFM-0.5和LVDT传感器获得的键盘的力位移。

图5中所示的峰值力和致动力之间的距离被指示为行程。使用同一键盘上的自动测试脚本重复执行测试25次，以提取F的数据重复性_P.F_一种，通过获取它们的均值、标准差(SD)和方差系数(COV)，如表1所示。F的COV值_P.F_一种和旅行非常小，这证实了Triceolab测试系统可以为力 - 位移测量产生可重复的结果。设计参数，f_P.F_一种和旅行被认为是键的适当运作的势在必行，而不会在足够的速度下造成任何重大不适。

表1。计算机键盘键的峰值力、驱动力和行程数据的可重复性。

变量	的意思是	SD.	浸,%
峰力(FP.），n	0.635	0.002	0.36
致动力（f一种），n	0.279	0.001	0.48
旅行，mm.	1.216	0.015	1.21

结论

Bruker的Triceolab测试系统是一种重要的工具，用于对MEMS，微操纵器，机器人，精密和科学仪器，计算配件，执行器和传感器的制造商进行宽大力和位移范围的力量 - 位移测量。集成在Triceolab测试系统中的自动定位系统允许用户测试任何样本的微观子结构。该系统还使自动化能够进行可重复的测试，从而确保高质量和耐用性。

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