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 TriboLab™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。

城市轨道交通TriboLab测试系统

UMT TriboLab测试系统建立在通用机械测试(UMT)平台上，该平台是负载、位置和速度高精度控制的行业先驱。这种新型系统的模块化设计提高了进行大范围力和位移测试的灵活性。该测试仪包括三个主要的驱动系统，用于X、Y和Z方向的位移。该系统集成了智能硬件和软件接口，使其成为一个非常友好的、多产的和多功能的测试工具。TriboScript™软件提供了一个安全的和改进的脚本界面，可以轻松地从已经内置的块编译力-位移测试序列。

TriboID™功能可以自动检测连接到系统的不同组件，这些组件是正常工作所必需的。该特性还配置了组件。系统中配备的自动定位装置是基于光学显微镜技术的，用户可以通过检查测试样品来选择测试位置。然后，系统将样品置于测试探针下，在特定位置进行测量。这是一个至关重要的附件，以处理微小的样本和执行测试较小的子结构在这些样本。系统配备了实时控制和数据分析软件，保证了高重复性和高精度。一组Gold系列力传感器(例如，FVL: 1-100 mN;DFM系列:0.05-20 N;FL: 5 - 500 mN;DFH系列:0.5-2 kN)配备进行试验。 The capacitance and LVDT sensors provided in the system enable accurate displacement measurements in µm and mm ranges, respectively.

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杠杆臂的低量程力-位移测量

在MEMS杠杆臂上进行了mN和µm范围内的力-位移测量UMT TriboLab测试系统分别装有一个Gold系列FL传感器和一个电容传感器。采用直径为1 mm的碳化钨球探针进行测量。图1为杠杆臂试件在0-1µm位移和0-5 mN力范围内的力-位移曲线图。尽管测量的力范围大约是力传感器全量程的1%，但数据分散很小。隔声罩和防振台可在低力范围内进行测量，进一步减少数据分散。如图1所示的杠杆臂的力-位移指定了线性弹性行为。

图1所示。力位移图高达5 mN使用黄金系列FL传感器和Cap传感器。

通过增加负载水平，进一步测试了杠杆的力-位移特性。图2和图3分别显示了50和400 mN的力-位移图。图2展示了高达50 mN时的线性弹性力-位移行为，图3展示了大约250 mN后开始的非线性力-位移行为。加载250 mN后，试件的刚度开始增加。超过400 mN时，最大位移约为82µm。图1 - 3所示的结果证明了TriboLab测试系统能够在较低的力和位移范围内进行高精度测量。

图2。力位移图高达50 mN使用黄金系列FL传感器和Cap传感器。

图3。力位移图高达400 mN使用黄金系列FL传感器和Cap传感器。

键盘按键的力-位移测量

为了进行这些测量，一个计算机键盘被安装在TriboLab测试系统的y级上，一个按键通过放置在力传感器下的圆柱形探针的平面逐步向下推进。

将LVDT传感器和DFM-0.5力传感器固定在支架上TriboLab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描绘了说明三个区域的计算机键盘键的力-位移图。首先，力相对于位移增加，并达到最大值。图5给出了相应的力，记为峰值力F_P．当按键按下的力超过峰值时，力的值减小到最小。然而，在这期间，流离失所者继续增加。在达到最小值后，力开始增加。这些力-位移特性确定了关键下部结构的屈曲。与图5中最小值类似的力是驱动力F_一个．力-位移曲线斜率有助于评价键盘构件的触觉响应。参数F_P和F_一个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。

如图5所示，峰值力与驱动力之间的距离表示为行程。测试重复执行了25次，使用同一个键盘上的自动化测试脚本提取F_PF_一个，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_PF_一个和旅行非常小，这证实了TriboLab测试系统可以生成可重复的力-位移测量结果。设计参数F_PF_一个和旅行，被认为是必要的，以正常的功能键，而不造成任何重大不适的用户键入适当的速度。

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
驱动力量(F一个), N	0.279	0.001	0．48
旅行,毫米	1.216	0.015	1.21

结论

Bruker的TriboLab测试系统是一个重要的工具，用于在广泛的力和位移范围内进行力-位移测量，用于MEMS、微型机械手、机器人、精密仪器和科学仪器、计算附件、执行器和传感器的制造商。集成在TriboLab测试系统中的自动定位系统允许用户测试任何样品的微观子结构。该系统还使自动化进行可重复测试，从而确保高质量和耐久性。

这些信息来源于Bruker纳米表面公司提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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