一种腔光力式高精度力和扭矩传感器

本发明属于力和扭矩测量，更为具体地讲，涉及一种腔光力式高精度力和扭矩传感器。

背景技术：

1、力和扭矩测量尤其是高精度扭矩测量在生物医学、工业生产、科研研究和国家安全等方面有着广泛且重要的应用。同时高扭矩测量在机器人等领域有着重要的应用价值：可用于高精度检测和控制等领域。

2、现存的高精度扭矩测量方法主要有直接法和间接法。直接法是通过直接对驱动系统进行扭矩测量以获得扭矩信号。这种方法通常使用扭矩法兰，如t12数字扭矩传感器或t40b扭矩传感器，它们能够提供非接触式的测量。间接法是通过测量电机的功率或反作用力来间接测定扭矩。直接测量法具有多个技术优势，例如高精度、易设计易于集成到测试台中，并且能够测量转速。

3、现代测试设备可以容易地测量电机功率和转速，从而通过计算得到扭矩。但是，这种方法在计算扭矩时可能会引入较大的误差和不确定性，因为功率损耗和设备的操作状态也被包含在计算过程中，且标定可能比较困难。此外，还有光电式扭矩测量法，它通过将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上，当转轴无扭矩作用时，两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路，没有光线照到光敏元件上，因此不输出电信号；当有扭矩作用时，两个圆盘形光栅的相对位置发生变化，从而允许光线照射到光敏元件上，产生电信号。

4、腔体光机械学是一门新兴的研究领域，它专注于在微观和纳米级别上研究光学腔模式与机械振动模式之间的密切互动。这种强耦合作用是近年来国际科学研究的热点。这类腔体结构展现了丰富的光子与物质间的相互作用，能够促成一系列独特的物理效应，如量子态的冷却、量子纠缠现象、电磁感应透明度以及慢速传播的光波等。这些现象不仅对经典物理学和量子物理学的基础研究具有深远意义，而且，当腔体光机械结构受到激光激发时，它们能生成高度稳定的机械振荡信号和多样的光机械模式耦合，对于精密测量仪器、微纳光电子学以及电子通信等工程应用具有巨大的军事和民用潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，通过基于变间隙式光学晶体微腔的直接测量扭矩。

2、为实现上述发明目的，本发明一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，其特征在于，包括：通过微纳加工工艺在矩形soi基片的顶层硅上制作硅微机械振子结构，而底层硅保持不变；在soi基片的中间sio2层上通过光刻技术去除中间区域的sio2。

3、本发明的发明目的是这样实现的：

4、本发明一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，当探针感受到外部力或扭矩时，会发生偏转位移，带动可移动质量快进行位移，可移动质量块边缘处有光学晶体微腔的活动部分，其位移导致光学晶体微腔的活动部分和固定部分的空气槽间隙发生改变，从而影响腔内激光的波长，通过波长与力和扭矩的线性关系，从而测出对应的力和扭矩。

5、同时，本发明一种腔光力式高精度力和扭矩传感器还具有以下有益效果：

6、(1)、本发明相较与间接测量法，该腔光力式力和扭矩测量法采用直接测量法，误差项更少，更加准确；

7、(2)、本发明相较于传统的扭矩传感器，该腔光力式力和扭矩传感器体积远远缩小，更容易用于各种微小领域；

8、(3)、本发明采用探针及可移动梁结构和光学晶体微腔结构相结合的结构来测量力和扭矩大小，采用对称式结构有效区分力和扭矩，采用差分结构将探测灵敏度提高近一倍。

9、(4)、相较于精度最高的电容式力矩传感器，该腔光力式力和扭矩传感器避免了繁多复杂的梳齿结构，体积更加微小，腔光力式力和扭矩传感器专注于在微观和纳米级别上进行力和扭矩的测量，精度和分辨率远远高于电容式传感器，对于精密测量仪器、微纳光电子学以及电子通信等工程应用具有巨大的军事和民用潜力。

技术特征：

1.一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，其特征在于，包括：通过微纳加工工艺在矩形soi基片的顶层硅上制作硅微机械振子结构，而底层硅保持不变；在soi基片的中间sio2层上通过光刻技术去除中间区域的sio2。

2.根据权利要求1所述的一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，其特征在于，所述硅微机械振子结构包括外侧固定端a、连接梁b、支撑块c、悬臂梁d、可移动质量块e、光学晶体微腔f和探针g；

3.根据权利要求1所述的一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，其特征在于，所述可移动质量块上设置有阵列排布的腐蚀孔，腐蚀孔贯穿顶层硅，便于在硅微机械振子结构光刻完成后，使用hf气体透过腐蚀孔除去soi基片的中间sio2层，以使整个腔光力式高精度力和扭矩传感器悬空。

4.根据权利要求1所述的一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，其特征在于，所述光学晶体微腔包括两组阵列排布的光子晶体孔及位于之间的空气槽，光子晶体孔之间呈正六边形蜂窝状排布，形成光子晶体微腔。

技术总结
本发明公开了一种腔光力式高精度力和扭矩传感器，当探针感受到外部力或扭矩时，会发生偏转位移，带动可移动质量快进行位移，可移动质量块边缘处有光学晶体微腔的活动部分，其位移导致光学晶体微腔的活动部分和固定部分的空气槽间隙发生改变，从而影响腔内激光的波长，通过波长与力和扭矩的线性关系，从而测出对应的力和扭矩。

技术研发人员：邱根,彭友鑫,陈凯,黄勇军,鲜承伟,李喆,王伊凡
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23