持续微型化：紧凑空间内使用力传感器系统保证质量

摘要：压电式力传感器的紧凑设计、高精度、高过载和宽范围的测量能为制造商提供100%的质量保证，从而在这竞争激烈，不断微型化的市场脱引而出。

　　近年来技术微型化已成为一种趋势。设备及其组件的尺寸不断变小，而对其功能性的技术要求却日益增加。尤其在电子业，制造商设计的技术设备和控制元件越来越小。从而使得所有生产组件的质量保证要面对更严峻的挑战。同时，生产部门必须适应这些变化不断进行新的调整。

　　智能手机已经成为我们生活的一部分。其紧凑和微型化的设计使得手机占用的空间很小,却提供极高的多功能性。汽车仪表盘也是这样，包含日益增多的显示和控制元件提供更多功能而占用的空间越来越小。这两个例子的要求相同，即令人感到满意和成功的操作设备，其功能和感知需要完美协调。下面以这两个例子进行讨论。

按键操作(功能)

　　智能手机的核心是”Home”键，用于引导菜单或返回主界面。同时，Home键也必须能执行多任务功能：单击可以关闭应用程序，而双击可以打开新菜单，“按住不放”可以打开不同的功能。类似地，车辆的电子停车制动器的控制开关在操作时必须可靠，这样当车停下或在斜坡时才不会滑行。司机必须完全依赖电子停车开关。任何停车制动故障可使托付自身安全于电子制动功能的驾驶员、乘员和其他道路使用者产生信任危机。在这两种情况下，一个小开关的故障都会对制造商产生严重的经济损失。例如，苹果公司不得不在iPhone 5模型检测出“睡眠/唤醒”控制键缺陷时不惜重金更换了所有相关手机的“睡眠/唤醒”控制键。

感觉(感知)

　　当涉及到用户体验满意度时，与设备操作相关的触觉变得同功能性一样重要。产品使用过程的感觉必须满足消费者的期望。不仅如此，智能手机的Home键必须操作简单，同时必须向用户发出触发成功的信号。这种感觉来自感知反馈(无论是触觉、听觉或视觉反应)。感知反馈使用户确信相关功能已启动。

　　统一的操作理念给予驾驶员安全驾驶的经验和极高的满意度。尽管一辆车可能包含来自多个不同供应商的组件，驾驶员仍然期望所有开关和装置可以按统一方式操作，使得驾驶员感觉操控自如。事实上，驾驶员要用大小不同的力量启动各种开关。例如，通常需要较大的力量启动车辆的停车制动或打开危险灯，而启动电动车窗或挡风玻璃雨刮器则只需较小的力。

100%测试，100%精度

　　任何启动开关的人都期望达到预期的效果。因此，触觉和功能测试必须100%保证质量。制造商只有彻底检查每个开关才能保证早期发现不合标准或有故障的部件。在质量检测过程中，传感器测量启动开关力，开关的好/坏评估基于采集到的位移-力曲线。查出的“坏”部件立刻被分离。这不仅提供了100%质量保证，也由于设备组装时不会有不合格的零件而降低了生产成本。

　　为了保证精确测量和排除测量误差(例如，弯曲力矩)，力作用点和传感器自身应尽可能小。传感器的尺寸在试验自动化中起着重要作用，因为这些应用中通常只允许很小的传感器安装空间。那么如何高精度测量微小力呢?

高性能

　　微型化的趋势对制造商提出了挑战。不仅组件的空间变小，测量传感器的空间也随之变得更小。微型化具有以下核心要求：

　　• 紧凑设计：为了适应组件使用更小开关的趋势，传感器必须足够小以便可以非常接近测试键安装。

　　• 高精度：高测量精度和高重复精度是保证产品质量和用户满意体验的关键。

　　• 高过载：当组件被错误插入时，无法承受更高载荷的传感器可能会损坏，必须更换。

　　• 测量范围宽：使用产品的常规微小操作力通常在0.1N到500N之间。

领先一步

　　微小空间和高精度对传感器系统的要求很高。不断创新的先进技术，如微型化压电式力传感器技术可以满足这些要求。

　　这些微型仪器能够用最小的力进行精密测量，即使在测试开关和按键时也具有优异的重复性和高分辨率。同时，这些传感器也很坚固,高过载安全性并比其他技术的传感器工作寿命更长。最小的力传感器的最大直径为6.1 mm，高度仅为23.3 mm，可测力范围为-20N至200N。

　　压电式力传感器相比应变式(DMS)力传感器具有更高的性价比。后者必须使用适配器集成于生产线上，而压电式力传感器可直接通过外部螺纹安装在安装台上。因此，不再需要设计复杂、 价格昂贵的机械解构组件。此外，这种安装方式可在紧凑的空间内同时安装多个传感器，从而可顺序试验紧密排列的按键。

　　未来微型化的趋势将会进一步发展。由于新一代高度发达的电子设备的出现，制造商可以为微型化应用建立新的标准。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第2期第19页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。