持續微型化：緊湊空間內使用力傳感器系統保證質(zhì)量

摘要：壓電式力傳感器的緊湊設計、高精度、高過(guò)載和寬范圍的測量能為制造商提供100%的質(zhì)量保證，從而在這競爭激烈，不斷微型化的市場(chǎng)脫引而出。

　　近年來(lái)技術(shù)微型化已成為一種趨勢。設備及其組件的尺寸不斷變小，而對其功能性的技術(shù)要求卻日益增加。尤其在電子業(yè)，制造商設計的技術(shù)設備和控制元件越來(lái)越小。從而使得所有生產(chǎn)組件的質(zhì)量保證要面對更嚴峻的挑戰。同時(shí)，生產(chǎn)部門(mén)必須適應這些變化不斷進(jìn)行新的調整。

　　智能手機已經(jīng)成為我們生活的一部分。其緊湊和微型化的設計使得手機占用的空間很小,卻提供極高的多功能性。汽車(chē)儀表盤(pán)也是這樣，包含日益增多的顯示和控制元件提供更多功能而占用的空間越來(lái)越小。這兩個(gè)例子的要求相同，即令人感到滿(mǎn)意和成功的操作設備，其功能和感知需要完美協(xié)調。下面以這兩個(gè)例子進(jìn)行討論。

按鍵操作(功能)

　　智能手機的核心是”Home”鍵，用于引導菜單或返回主界面。同時(shí)，Home鍵也必須能執行多任務(wù)功能：?jiǎn)螕艨梢躁P(guān)閉應用程序，而雙擊可以打開(kāi)新菜單，“按住不放”可以打開(kāi)不同的功能。類(lèi)似地，車(chē)輛的電子停車(chē)制動(dòng)器的控制開(kāi)關(guān)在操作時(shí)必須可靠，這樣當車(chē)停下或在斜坡時(shí)才不會(huì )滑行。司機必須完全依賴(lài)電子停車(chē)開(kāi)關(guān)。任何停車(chē)制動(dòng)故障可使托付自身安全于電子制動(dòng)功能的駕駛員、乘員和其他道路使用者產(chǎn)生信任危機。在這兩種情況下，一個(gè)小開(kāi)關(guān)的故障都會(huì )對制造商產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟損失。例如，蘋(píng)果公司不得不在iPhone 5模型檢測出“睡眠/喚醒”控制鍵缺陷時(shí)不惜重金更換了所有相關(guān)手機的“睡眠/喚醒”控制鍵。

感覺(jué)(感知)

　　當涉及到用戶(hù)體驗滿(mǎn)意度時(shí)，與設備操作相關(guān)的觸覺(jué)變得同功能性一樣重要。產(chǎn)品使用過(guò)程的感覺(jué)必須滿(mǎn)足消費者的期望。不僅如此，智能手機的Home鍵必須操作簡(jiǎn)單，同時(shí)必須向用戶(hù)發(fā)出觸發(fā)成功的信號。這種感覺(jué)來(lái)自感知反饋(無(wú)論是觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或視覺(jué)反應)。感知反饋使用戶(hù)確信相關(guān)功能已啟動(dòng)。

　　統一的操作理念給予駕駛員安全駕駛的經(jīng)驗和極高的滿(mǎn)意度。盡管一輛車(chē)可能包含來(lái)自多個(gè)不同供應商的組件，駕駛員仍然期望所有開(kāi)關(guān)和裝置可以按統一方式操作，使得駕駛員感覺(jué)操控自如。事實(shí)上，駕駛員要用大小不同的力量啟動(dòng)各種開(kāi)關(guān)。例如，通常需要較大的力量啟動(dòng)車(chē)輛的停車(chē)制動(dòng)或打開(kāi)危險燈，而啟動(dòng)電動(dòng)車(chē)窗或擋風(fēng)玻璃雨刮器則只需較小的力。

100%測試，100%精度

　　任何啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的人都期望達到預期的效果。因此，觸覺(jué)和功能測試必須100%保證質(zhì)量。制造商只有徹底檢查每個(gè)開(kāi)關(guān)才能保證早期發(fā)現不合標準或有故障的部件。在質(zhì)量檢測過(guò)程中，傳感器測量啟動(dòng)開(kāi)關(guān)力，開(kāi)關(guān)的好/壞評估基于采集到的位移-力曲線(xiàn)。查出的“壞”部件立刻被分離。這不僅提供了100%質(zhì)量保證，也由于設備組裝時(shí)不會(huì )有不合格的零件而降低了生產(chǎn)成本。

　　為了保證精確測量和排除測量誤差(例如，彎曲力矩)，力作用點(diǎn)和傳感器自身應盡可能小。傳感器的尺寸在試驗自動(dòng)化中起著(zhù)重要作用，因為這些應用中通常只允許很小的傳感器安裝空間。那么如何高精度測量微小力呢?

高性能

　　微型化的趨勢對制造商提出了挑戰。不僅組件的空間變小，測量傳感器的空間也隨之變得更小。微型化具有以下核心要求：

　　? 緊湊設計：為了適應組件使用更小開(kāi)關(guān)的趨勢，傳感器必須足夠小以便可以非常接近測試鍵安裝。

　　? 高精度：高測量精度和高重復精度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和用戶(hù)滿(mǎn)意體驗的關(guān)鍵。

　　? 高過(guò)載：當組件被錯誤插入時(shí)，無(wú)法承受更高載荷的傳感器可能會(huì )損壞，必須更換。

　　? 測量范圍寬：使用產(chǎn)品的常規微小操作力通常在0.1N到500N之間。

領(lǐng)先一步

　　微小空間和高精度對傳感器系統的要求很高。不斷創(chuàng )新的先進(jìn)技術(shù)，如微型化壓電式力傳感器技術(shù)可以滿(mǎn)足這些要求。

　　這些微型儀器能夠用最小的力進(jìn)行精密測量，即使在測試開(kāi)關(guān)和按鍵時(shí)也具有優(yōu)異的重復性和高分辨率。同時(shí)，這些傳感器也很堅固,高過(guò)載安全性并比其他技術(shù)的傳感器工作壽命更長(cháng)。最小的力傳感器的最大直徑為6.1 mm，高度僅為23.3 mm，可測力范圍為-20N至200N。

　　壓電式力傳感器相比應變式(DMS)力傳感器具有更高的性?xún)r(jià)比。后者必須使用適配器集成于生產(chǎn)線(xiàn)上，而壓電式力傳感器可直接通過(guò)外部螺紋安裝在安裝臺上。因此，不再需要設計復雜、 價(jià)格昂貴的機械解構組件。此外，這種安裝方式可在緊湊的空間內同時(shí)安裝多個(gè)傳感器，從而可順序試驗緊密排列的按鍵。

　　未來(lái)微型化的趨勢將會(huì )進(jìn)一步發(fā)展。由于新一代高度發(fā)達的電子設備的出現，制造商可以為微型化應用建立新的標準。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第19頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。