基于力敏Z元件的機(jī)器人觸覺傳感器的研制

1、本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費(fèi)提供海量教學(xué)資料、行業(yè)資料、范文模板、應(yīng)用文書、考試學(xué)習(xí)和社會經(jīng)濟(jì)等word文檔基于力敏Z元件的機(jī)器人觸覺傳感器的研制劉琦 頓向明（上海交通大學(xué)機(jī)械工程系 上海 201100）摘要：從Z元件的“L”型伏安特性出發(fā)，探討了Z元件的力敏現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上介紹了一種用于機(jī)器人的觸覺傳感器的研制方法。關(guān)鍵詞力敏Z 元件觸覺傳感器The Development of Robot Tactile Sensors on the Base of Force Sensitive Z-ElementLIU Qi DUN Xiang-ming(The De

2、partment of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 201100)Abstract: On the basis of explaining L-form current-voltage characteristic, the force-sensitive phenomenon of Z-element is discussed. Then a new robot sensitive sensor is introduced on the basis of discussion.Key word

3、s Force - sensitive Z element Tactile sensor0 引言觸覺傳感技術(shù)的研究是智能機(jī)器人感知系統(tǒng)最需解決的問題和研究重點(diǎn)之一。目前觸覺傳感器按照其敏感材料、感知機(jī)理大致可分為以下六種:機(jī)械式、壓阻式、電容式、壓電式、磁電式和光電式。無論何種觸覺傳感器,都不盡如人意,因此,尋找新的敏感材料就顯得尤為重要。Z元件是由俄羅斯傳感器專家V.ZOTOV教授發(fā)明的一種N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)奶胤NPN結(jié)。該元件的最大優(yōu)點(diǎn)就是無需前置放大和A/D轉(zhuǎn)換器就可以直接輸出開關(guān)信號或頻率信號，并可與計(jì)算機(jī)直接通訊。目前，對溫敏、光敏、磁敏Z元件的研究已經(jīng)有了一定的進(jìn)展,但由于Z元件體積

4、很小，非常薄脆，對力敏Z元件的研究一直處于探索中。1 力敏Z元件的力敏特性力敏Z元件的工作原理是：利用不同擴(kuò)散源的擴(kuò)散特征，即普通的PN結(jié)結(jié)構(gòu)從另一側(cè)對N區(qū)進(jìn)行穿透性金（或銅或鋅）擴(kuò)散，形成獨(dú)特的半導(dǎo)體敏感元件1。在電路中Z元件作為PN 結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，在負(fù)載電阻R上獲得輸出信號。力敏Z元件可以簡化為一個(gè)PN結(jié)外加一個(gè)敏感層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該敏感層的應(yīng)用特性取決于節(jié)區(qū)附近的電子和空穴的定量關(guān)系。當(dāng)力敏Z元件受力發(fā)生彎曲變形時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力作用于載流子，電子和空穴上使載流子偏離原來的運(yùn)動方向，因此Z元件的導(dǎo)電能力發(fā)生變化。如果在P區(qū)加力，由于P區(qū)受壓縮，使細(xì)絲電流變窄，N區(qū)的電子注入P區(qū)的速率降低，

5、使Z元件的導(dǎo)電能力減小，同樣道理，如果在N區(qū)加力，由于N區(qū)受拉伸，使細(xì)絲電流變寬，N區(qū)的電子注入P 區(qū)的速率增加，使Z元件的導(dǎo)電能力增強(qiáng)，因此電流增加。正是由于敏感層結(jié)構(gòu)的這個(gè)特點(diǎn)，從而使Z元件具有了力敏特性。2 力敏Z元件的伏安特性圖1為力敏Z元件的正向“L”型伏安特性,該特性分成三個(gè)工作區(qū):高阻區(qū),負(fù)阻區(qū),低阻區(qū)，即圖中的M1，M2，M3區(qū)?？梢杂盟膫€(gè)特征參數(shù)來描述這個(gè)特性: Ith 為閾值電流, If為導(dǎo)通圖1 力敏Z元件的伏安特性圖電流,V th為閾值電壓,V f為導(dǎo)通電壓。M1 區(qū)動態(tài)電阻很大而M3區(qū)動態(tài)電阻很小,從M1 區(qū)到M3 區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短。力敏Z元件具有“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)

6、”兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài),工作的初始狀態(tài)可按需要設(shè)定。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M1 區(qū),Z元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài),作為開關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“阻斷”。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M3 區(qū),Z2元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài),作為開關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“導(dǎo)通”2。在正向伏安特性上有一點(diǎn)P,稱為閥值點(diǎn), 閥值點(diǎn)點(diǎn)對外部力作用十分敏感,其靈敏度要比伏安特性上其它諸點(diǎn)要高許多。利用這一性質(zhì),可通過力作用,促成工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周而復(fù)始地轉(zhuǎn)換,就可分別輸出開關(guān)信號或脈沖頻率信號3 。3 力敏Z元件的工作及輸出電路力敏Z元件的最大優(yōu)點(diǎn)就是無需前置放大和A/D轉(zhuǎn)換器就可以直接輸出開關(guān)信號或頻率信號，并可與計(jì)算機(jī)直接通訊4，因此其

7、應(yīng)用電路十分簡單，基本工作電路如圖2所示。在 圖2 力敏Z元件的工作電路該電路中,Z 元件作為PN 結(jié)處于正向偏置狀態(tài),在負(fù)載電阻R 上可得到電壓輸出。4 力敏Z元件在觸覺傳感器中的應(yīng)用根據(jù)力敏Z元件的上述性質(zhì)和特點(diǎn)，我們可以利用力敏Z元件研制成用于機(jī)器人手爪的陣列式觸覺傳感器，其傳感器原理如下圖3，當(dāng)機(jī)器人手爪抓住物體時(shí)，傳感器的探頭受力，圖3 觸覺傳感器原理圖彈性體變形，探頭向下劑壓Z元件，這樣探頭所受的較大的力就變成較小的力傳遞給力敏Z元件，就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人觸覺的傳感。5 結(jié)束語用普通PN結(jié)制成的力敏Z元件具有電路簡單，輸出信號大抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，利用該特性研制的陣列式觸覺傳感器具有可靠，小型化的特點(diǎn)，很適合用作機(jī)器人的觸覺傳感器。 參 考 文 獻(xiàn)1 關(guān)叢榮，孫喜文. 力敏Z元件的性能及在力傳感器中的應(yīng)用.黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004，2：29-302 李坡，趙旭等.力敏Z元件與新型力數(shù)字傳感器.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，2：419-4203 付云鵬.Z半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-Z元件及其應(yīng)用開發(fā)綜述J.傳感器世界，200