持續(xù)微型化：緊湊空間內(nèi)使用力傳感器系統(tǒng)保證質(zhì)量

Stefan Schafer

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

關(guān)鍵詞：壓電式；力傳感器；緊湊；手機(jī)；汽車(chē)

DOI：10.3969/j.sssn.1005-5517.2016.2.004

近年來(lái)技術(shù)微型化已成為一種趨勢(shì)。設(shè)備及其組件的尺寸不斷變小，而對(duì)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(shè)計(jì)的技術(shù)設(shè)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(duì)更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)，生產(chǎn)部門(mén)必須適應(yīng)這些變化不斷進(jìn)行新的調(diào)整。

智能手機(jī)已經(jīng)成為我們生活的一部分。其緊湊和微型化的設(shè)計(jì)使得手機(jī)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，即令人感到滿意和成功的操作設(shè)備，其功能和感知需要完美協(xié)調(diào)。下面以這兩個(gè)例子進(jìn)行討論。

按鍵操作（功能）

智能手機(jī)的核心是“Home”鍵，用于引導(dǎo)菜單或返回主界面。同時(shí)，Home鍵也必須能執(zhí)行多任務(wù)功能：?jiǎn)螕艨梢躁P(guān)閉應(yīng)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(dāng)車(chē)停下或在斜坡時(shí)才不會(huì)滑行。司機(jī)必須完全依賴電子停車(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(jī)。在這兩種情況下，一個(gè)小開(kāi)關(guān)的故障都會(huì)對(duì)制造商產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。例如，蘋(píng)果公司不得不在iPhone 5模型檢測(cè)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(jī)的“睡眠/喚醒”控制鍵。

感覺(jué)（感知）

當(dāng)涉及到用戶體驗(yàn)滿意度時(shí)，與設(shè)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)必須滿足消費(fèi)者的期望。不僅如此，智能手機(jī)的Home鍵必須操作簡(jiǎn)單，同時(shí)必須向用戶發(fā)出觸發(fā)成功的信號(hào)。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(yīng)）。感知反饋使用戶確信相關(guān)功能已啟動(dòng)。

統(tǒng)一的操作理念給予駕駛員安全駕駛的經(jīng)驗(yàn)和極高的滿意度。盡管一輛車(chē)可能包含來(lái)自多個(gè)不同供應(yīng)商的組件，駕駛員仍然期望所有開(kāi)關(guān)和裝置可以按統(tǒng)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(xiǎn)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(cè)試，100%精度

任何啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的人都期望達(dá)到預(yù)期的效果。因此，觸覺(jué)和功能測(cè)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(xiàn)不合標(biāo)準(zhǔn)或有故障的部件。在質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，傳感器測(cè)量啟動(dòng)開(kāi)關(guān)力，開(kāi)關(guān)的好/壞評(píng)估基于采集到的位移-力曲線。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(shè)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(cè)量和排除測(cè)量誤差（例如，彎曲力矩），力作用點(diǎn)和傳感器自身應(yīng)盡可能小。傳感器的尺寸在試驗(yàn)自動(dòng)化中起著重要作用，因?yàn)檫@些應(yīng)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(cè)量微小力呢？

高性能

微型化的趨勢(shì)對(duì)制造商提出了挑戰(zhàn)。不僅組件的空間變小，測(cè)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(shè)計(jì)：為了適應(yīng)組件使用更小開(kāi)關(guān)的趨勢(shì)，傳感器必須足夠小以便可以非常接近測(cè)試鍵安裝。

高精度：高測(cè)量精度和高重復(fù)精度是保證產(chǎn)品質(zhì)量和用戶滿意體驗(yàn)的關(guān)鍵。

高過(guò)載：當(dāng)組件被錯(cuò)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(cè)量范圍寬：使用產(chǎn)品的常規(guī)微小操作力通常在0.1 N到500N之間。

領(lǐng)先一步

微小空間和高精度對(duì)傳感器系統(tǒng)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)可以滿足這些要求.

這些微型儀器能夠用最小的力進(jìn)行精密測(cè)量，即使在測(cè)試開(kāi)關(guān)和按鍵時(shí)也具有優(yōu)異的重復(fù)性和高分辨率。同時(shí)，這些傳感器也很堅(jiān)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(zhǎng)。最小的力傳感器的最大直徑為6.1 mm，高度僅為23.3mm，可測(cè)力范圍為-20N至200N。

壓電式力傳感器相比應(yīng)變式（DMS）力傳感器具有更高的性價(jià)比。后者必須使用適配器集成于生產(chǎn)線上，而壓電式力傳感器可直接通過(guò)外部螺紋安裝在安裝臺(tái)上。因此，不再需要設(shè)計(jì)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的機(jī)械解構(gòu)組件。此外，這種安裝方式可在緊湊的空間內(nèi)同時(shí)安裝多個(gè)傳感器，從而可順序試驗(yàn)緊密排列的按鍵。

未來(lái)微型化的趨勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。由于新一代高度發(fā)達(dá)的電子設(shè)備的出現(xiàn)，制造商可以為微型化應(yīng)用建立新的標(biāo)準(zhǔn)。