持續微型化：緊湊空間內使用力傳感器系統保證質量

Stefan Schafer

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

關鍵詞：壓電式；力傳感器；緊湊；手機；汽車

DOI：10.3969/j.sssn.1005-5517.2016.2.004

近年來技術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要求卻日益增加。尤其在電子業，制造商設計的技術設備和控制元件越來越小。從而使得所有生產組件的質量保證要面對更嚴峻的挑戰。同時，生產部門必須適應這些變化不斷進行新的調整。

智能手機已經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。汽車儀表盤也是這樣，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越小。這兩個例子的要求相同，即令人感到滿意和成功的操作設備，其功能和感知需要完美協調。下面以這兩個例子進行討論。

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，Home鍵也必須能執行多任務功能：單擊可以關閉應用程序，而雙擊可以打開新菜單，“按住不放”可以打開不同的功能。類似地，車輛的電子停車制動器的控制開關在操作時必須可靠，這樣當車停下或在斜坡時才不會滑行。司機必須完全依賴電子停車開關。任何停車制動故障可使托付自身安全于電子制動功能的駕駛員、乘員和其他道路使用者產生信任危機。在這兩種情況下，一個小開關的故障都會對制造商產生嚴重的經濟損失。例如，蘋果公司不得不在iPhone 5模型檢測出“睡眠/喚醒”控制鍵缺陷時不惜重金更換了所有相關手機的“睡眠/喚醒”控制鍵。

感覺（感知）

當涉及到用戶體驗滿意度時，與設備操作相關的觸覺變得同功能性一樣重要。產品使用過程的感覺必須滿足消費者的期望。不僅如此，智能手機的Home鍵必須操作簡單，同時必須向用戶發出觸發成功的信號。這種感覺來自感知反饋（無論是觸覺、聽覺或視覺反應）。感知反饋使用戶確信相關功能已啟動。

統一的操作理念給予駕駛員安全駕駛的經驗和極高的滿意度。盡管一輛車可能包含來自多個不同供應商的組件，駕駛員仍然期望所有開關和裝置可以按統一方式操作，使得駕駛員感覺操控自如。事實上，駕駛員要用大小不同的力量啟動各種開關。例如，通常需要較大的力量啟動車輛的停車制動或打開危險燈，而啟動電動車窗或擋風玻璃雨刮器則只需較小的力。

100%測試，100%精度

任何啟動開關的人都期望達到預期的效果。因此，觸覺和功能測試必須100%保證質量。制造商只有徹底檢查每個開關才能保證早期發現不合標準或有故障的部件。在質量檢測過程中，傳感器測量啟動開關力，開關的好/壞評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%質量保證，也由于設備組裝時不會有不合格的零件而降低了生產成本。

為了保證精確測量和排除測量誤差（例如，彎曲力矩），力作用點和傳感器自身應盡可能小。傳感器的尺寸在試驗自動化中起著重要作用，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關的趨勢，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品質量和用戶滿意體驗的關鍵。

高過載：當組件被錯誤插入時，無法承受更高載荷的傳感器可能會損壞，必須更換。

測量范圍寬：使用產品的常規微小操作力通常在0.1 N到500N之間。

領先一步

微小空間和高精度對傳感器系統的要求很高。不斷創新的先進技術，如微型化壓電式力傳感器技術可以滿足這些要求.

這些微型儀器能夠用最小的力進行精密測量，即使在測試開關和按鍵時也具有優異的重復性和高分辨率。同時，這些傳感器也很堅固，高過載安全性并比其他技術的傳感器工作壽命更長。最小的力傳感器的最大直徑為6.1 mm，高度僅為23.3mm，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價比。后者必須使用適配器集成于生產線上，而壓電式力傳感器可直接通過外部螺紋安裝在安裝臺上。因此，不再需要設計復雜、價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安裝多個傳感器，從而可順序試驗緊密排列的按鍵。

未來微型化的趨勢將會進一步發展。由于新一代高度發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。