微納級電磁柵尺及其制造裝置及位移檢測系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型是一種微納級電磁柵尺及其制造裝置及位移檢測系統。本實用新型的微納級電磁柵尺是基于電感效應的微納級電磁柵尺，通過電磁傳感器利用電磁感應原理將被測非電量（如位移、壓力、流量、振動等）轉換成線圈自感系數L或互感系數M的變化，再經過測量電路轉換為相應電壓或電流的變化量輸出，從而實現非電量到電量的轉換和測量。本實用新型微納級電磁柵尺制造方法是基于近場電紡直寫技術，設計加工簡單易操作，便于大規模制造，得到的柵線平行度好，且刻線均勻。本實用新型微納級電磁柵尺的制造裝置，是近場電紡直寫設備，具有良好的自動控制性能。本實用新型的位移檢測系統，利用鎢針作為探頭，用脈沖技術進行計數，計數準確，檢測精度高。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種微納級電磁柵尺及其制造裝置及位移檢測系統，屬于微納級 位移傳感監測工具制造領域。 微納級電磁柵尺及其制造裝置及位移檢測系統
【背景技術】
[0002] 高壓靜電紡絲技術，是國內外最近十幾年發展起來的用于制備超細纖維的重要方 法。電紡絲技術最早由Formhzls在1934年提出，隨后Taylor等人于1964年對靜電紡絲 過程中帶電聚合物的變形提出了泰勒錐這一概念，直到上個世紀90年代人們開始廣泛關 注電紡絲技術。孫道恒等人于2006年提出了近場電紡直寫技術，近場電紡直寫技術具有可 靠的沉積精度，且參數可控，為電紡納米纖維產業開拓了一種新的方法。
[0003] 早期的結構型敏感元件利用物質的機械尺寸或形狀受外界環境引起的變化來探 測外界物質世界的參量。I860年，自從人類實用新型了利用銅線圈電阻變化檢測溫度開始， 解開了人類對傳感器研究的序幕。隨著電子技術的進步出現了熱敏電阻、熱電偶等電子原 件。20世紀70年代，微電子技術促進了各種半導體傳感器的發展。80年代初期，集成傳感 器和只能傳感器成為了電感器的主流，他們主要是充分采用了微電子技術和集成電路技術 的發展。90年代開始，微電子技術的進步促進了微機械技術(MEMS)的興起和發展。
[0004] 電感式傳感器是利用電磁感應原理將被測非電量(如位移、壓力、流量、振動等）轉 換成線圈自感系數L或互感系數Μ的變化，再經過測量電路轉換為相應電壓或電流的變化 量輸出，從而實現非電量到電量的轉換和測量。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種微納級電磁柵尺。本實用新型的 微納級電磁柵尺是基于電感效應的微納級電磁柵尺，能夠進行納米級別的位移測量，具有 良好的測量精度。
[0006] 本實用新型的另一目的在于提供一種設計合理，結構簡單的操作方便的微納級電 磁柵尺的制造裝置。
[0007] 本實用新型的另一目的在于提供一種檢測簡單方便的微納級電磁柵尺的位移檢 測系統。
[0008] 本實用新型的技術方案是：本實用新型的微納級電磁柵尺，包括有不導電基板、聯 通電紡導電納米纖維線、不導電有機聚合物薄膜，在不導電基板上沉積有規則排列的聯通 電紡導電納米纖維線，這些聯通導電納米纖維線作為電紡電磁柵刻線，且在沉積有規則排 列的聯通導電納米纖維線的基板面上覆蓋一層不導電有機聚合物薄膜，不導電有機聚合物 薄膜可以保護電紡電磁柵刻線。
[0009] 上述規則排列的聯通電紡導電納米纖維線由多個周期的曲線段構成。
[0010] 上述曲線段為s形，聯通電紡導電納米纖維線的排列為方正的S型。
[0011] 上述聯通電紡導電納米纖維線分布均勻且平行排布；且規則排列的聯通電紡導電 納米纖維線接通微電流電源，纖維線內部產生定向電流。并在磁性薄膜上錄磁制成磁柵尺。
[0012] 上述聯通電紡導電納米纖維線是通過陣列噴頭近場電紡直寫形成，是用高分子 聚合物電紡沉積而成，不導電有機聚合物薄膜是不導電高分子聚合物薄膜。
[0013] 本實用新型微納級電磁柵尺的制造裝置，包括有XY平面運動平臺、Z軸運動導軌、 紡絲噴針、注射器、注射泵、高壓電源、高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY 運動平臺控制器、電紡控制器、微電流檢測器，其中XY平面運動平臺用于固定基板，并提供 XY平面方向的相對運動；Z軸運動導軌用于提供Z方向的距離控制；用于實施電紡的紡絲 噴針裝設在用于為電紡提供聚合物材料的注射器的下端，用于為注射器提供推力的注射泵 裝設在注射器的上端，注射泵與注射泵控制器連接，注射泵控制器用于控制注射泵的工作 狀態；高壓電源用于為紡絲噴針提供電壓，且高壓電源與高壓電源控制器連接，高壓電源控 制器用于控制高壓電源的工作狀態；用于控制Z軸導軌的運動狀態的Z軸運動控制器與Z 軸導軌的驅動裝置連接；用于控制XY平面運動平臺的工作狀態的XY平臺運動控制器與XY 平面運動平臺的驅動裝置連接；用于檢測電紡電流參數的微電流檢測器裝設在平面運動平 臺的旁側，微電流檢測器將檢測的電紡電流參數反饋給用于確定電紡狀態并調節電紡參數 的電紡控制器，高壓電源控制器、注射泵控制器、Z軸運動控制器、XY運動平臺控制器與電 紡控制器連接，電紡控制器用于在生產制造中協調控制高壓電源控制器、注射泵控制器、Z 軸運動控制器、XY運動平臺控制器的控制狀態。可以通過調節電紡參數，選擇柵線寬度。
[0014] 本實用新型微納級電磁柵尺的測量系統，包括有用于精確定位的鎢針、電感式傳 感器、脈沖計數器，其中用鎢針作為感應器件劃過聯通導電納米纖維線，電感式傳感器在鎢 針劃過聯通導電納米纖維線時產生電流脈沖，脈沖計數器記下電感式傳感器產生電流脈沖 的脈沖數量從而確定鎢針的位移量。
[0015] 本實用新型與現有技術相比，具有如下優點：
[0016] 1)本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺，能夠進行納米級別的位移測 量；
[0017] 2)本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺，基于電感效應進行測量，具 有良好的精度；
[0018] 3)本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺制造方法，基于近場電紡直寫 技術，其設計加工簡單易操作，便于大規模制造；
[0019] 4)本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺制造方法，基于近場電紡直寫 技術，得到柵線平行度好且刻線均勻。
[0020] 5.本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺的制造裝置，是近場電紡直寫 設備，具有良好的自動控制性能。
[0021] 6)本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺的位移檢測系統，利用鎢針作 為探頭，檢測精度很1?。
[0022] 7)本實用新型所述基于電感效應的微納級電磁柵尺的檢測系統，用脈沖技術進行 計數，計數準確，是一種增量式測量方法。
[0023] 本實用新型是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的微納級電磁柵尺及其制造裝 置及制造方法及位移檢測系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024] 圖1為近場電紡直寫裝置示意圖；
[0025] 圖2為所述微納級電磁柵尺制造流程圖；
[0026] 圖3為基板經過電紡加工后沉積結構的俯視圖；
[0027] 圖4為基板經過電紡加工后沉積結構的剖面圖；
[0028] 圖5為覆蓋保護膜后電柵尺的剖面圖；
[0029] 圖6為電磁柵尺測量系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 實施例：
[0031] 本實用新型的微納級電磁柵尺，包括有不導電基板、聯通電紡導電納米纖維線、不 導電有機聚合物薄膜，在不導電基板上沉積有規則排列的聯通電紡導電納米纖維線，這些 聯通導電納米纖維線作為電紡電磁柵刻線，且在沉積有規則排列的聯通導電納米纖維線的 基板面上覆蓋一層不導電有機聚合物薄膜，不導電有機聚合物薄膜可以保護電紡電磁柵刻 線。
[0032] 上述規則排列的聯通電紡導電納米纖維線由多個周期的曲線段構成。
[0033] 上述曲線段為S形，聯通電紡導電納米纖維線的排列為方正的S型。
[0034] 上述聯通電紡導電納米纖維線分布均勻且平行排布；且規則排列的聯通電紡導電 納米纖維線接通微電流電源，纖維線內部產生定向電流。并在磁性薄膜上錄磁制成磁柵尺。
[0035] 上述聯通電紡導電納米纖維線是通過陣列噴頭近場電紡直寫形成，是用高分子 聚合物電紡沉積而成，不導電有機聚合物薄膜是不導電高分子聚合物薄膜。
[0036] 本實用新型微納級電磁柵尺結構的制造裝置如圖1所示，是一種近場電紡直寫裝 置，圖1中，XY平面運動平臺1用于固定基板13,并提供XY平面方向的相對運動；Z軸運動 導軌2用于提供Z方向的距離控制；紡絲噴針3用于實施電紡；注射器4用于為電紡提供聚 合物材料；注射泵5用于為注射器4提供推力；高壓電源6用于為紡絲噴針提供電壓；高壓 電源控制器7用于控制高壓電源6的工作狀態；注射泵控制器8用于控制注射泵5的工作 狀態；Z軸運動控制器9用于控制Z軸導軌2的運動狀態；XY平臺運動控制器10用于控制 XY平面運動平臺1的工作狀態；電紡控制器11用于在生產制造中協調控制高壓電源控制 器7、注射泵控制器8、Z軸運動控制器9、XY運動平臺控制器10的控制狀態、微電流檢測器 12用于檢測電紡電流參數，并反饋給電紡控制器11，用于確定電紡狀態并調節電紡參數。 [0037] 本實用新型所述基于近場電紡直寫技術的光柵尺制造方法的流程圖如圖2所示， 包括如下步驟：
[0038] 16)制作尺坯：切割一塊基板13,并清洗干凈；
[0039] 17)電紡S型柵線：在基板13上通過近場電紡的方法，直寫沉積出規則排列的聯 通導電納米纖維線14,這些聯通導電納米纖維線作為電紡電磁柵刻線；基板經過電紡加工 后沉積的結構示意圖如圖3所示；聯通導電納米纖維線14是導電聚合物纖維絲線。
[0040] 18)覆膜：在沉積有規則排列的聯通導電納米纖維線的基板面上覆蓋一層不導電 有機聚合物薄膜15,以實現對電紡電磁柵刻線的保護，覆蓋保護膜后電磁柵尺的剖面圖如 圖4、5所示。
[0041] 19)接通電源：對電紡電磁柵刻線接通微電流電源20,完成電磁柵尺制造，得到微 納級電磁柵尺。
[0042] 本實用新型微納級電磁柵尺的位移檢測系統的原理圖如圖6所示，包括有用于精 確定位的鎢針21、電感式傳感器22、脈沖計數器23,其中用鎢針21作為感應器件劃過聯通 導電納米纖維線14,電感式傳感器22在鎢針21劃過聯通導電納米纖維線14時產生電流脈 沖，脈沖計數器23記下電感式傳感器22產生電流脈沖的脈沖數量從而確定鎢針21的位移 量。此外，可以通過電磁傳感器利用電磁感應原理將被測非電量(如位移、壓力、流量、振動 等)轉換成線圈自感系數L或互感系數Μ的變化，再經過測量電路轉換為相應電壓或電流的 變化量輸出，從而實現非電量到電量的轉換和測量。
[0043] 本實用新型的工作原理如下：
[0044] 本實用新型近場電紡可以實現直徑由納米級到微米級范圍內近百種不同聚合物 納米纖維、各種類型聚合物、無機物復合納米纖維及無機納米纖維的制備。因此所述電感效 應微納級電磁柵尺的柵距可控制在幾納米到幾微米之間。
[0045] 本實用新型微納級電磁柵尺的位移檢測系統，電感式傳感器22可以與通電的聯 通導電納米纖維線14產生感應，從而在鎢針21劃過聯通導電納米纖維線14時產生電流 脈沖。脈沖計數器23記下脈沖數量從而確定鎢針21的位移量。
[0046] 本實用新型的基于電感效應的微納級電磁柵尺，是通過電紡直寫技術在基板上直 寫規則排列的導電聚合物纖維陣列。電紡直寫技術可以直寫幾納米到幾百納米的導電聚合 物纖維絲線，因此可以用來制作精度很高的導電刻線。將導電聚合物纖維絲線接入電源，使 導電聚合物纖維絲線通有電流。鎢針21針頭極細，可以用于測量電磁柵距。本實用新型微 納級電磁柵尺的位移檢測系統，由于當鎢針21劃過導電的聯通導電納米纖維線（14)時會 產生一個瞬間電流脈沖，因此可以通過電感式傳感器22感應電磁變化從而判斷鎢針21相 對該電磁柵尺的位置。
【權利要求】
1. 一種微納級電磁柵尺，其特征在于包括有不導電基板、聯通電紡導電納米纖維線、不 導電有機聚合物薄膜，在不導電基板上沉積有規則排列的聯通電紡導電納米纖維線，這些 聯通導電納米纖維線作為電紡電磁柵刻線，且在沉積有規則排列的聯通導電納米纖維線的 基板面上覆蓋一層不導電有機聚合物薄膜，不導電有機聚合物薄膜可以保護電紡電磁柵刻 線。
2. 根據權利要求1所述的微納級電磁柵尺，其特征在于上述規則排列的聯通電紡導電 納米纖維線由多個周期的曲線段構成。
3. 根據權利要求2所述的微納級電磁柵尺，其特征在于上述曲線段為S形，聯通電紡 導電納米纖維線的排列為方正的S型。
4. 根據權利要求1所述的微納級電磁柵尺，其特征在于上述聯通電紡導電納米纖維線 分布均勻且平行排布；且規則排列的聯通電紡導電納米纖維線接通微電流電源，纖維線內 部產生定向電流，并在磁性薄膜上錄磁制成磁柵尺。
5. 根據權利要求1所述的微納級電磁柵尺，其特征在于上述聯通電紡導電納米纖維線 是通過陣列噴頭近場電紡直寫形成，是用高分子聚合物電紡沉積而成，不導電有機聚合物 薄膜是不導電高分子聚合物薄膜。
6. -種微納級電磁柵尺的制造裝置，所述微納級電磁柵尺包括有不導電基板、聯通電 紡導電納米纖維線、不導電有機聚合物薄膜，在不導電基板上沉積有規則排列的聯通電紡 導電納米纖維線，這些聯通導電納米纖維線作為電紡電磁柵刻線，且在沉積有規則排列的 聯通導電納米纖維線的基板面上覆蓋一層不導電有機聚合物薄膜，不導電有機聚合物薄膜 可以保護電紡電磁柵刻線，其特征在于包括有XY平面運動平臺（1)、Z軸運動導軌（2)、紡絲 噴針（3)、注射器（4)、注射泵（5)、高壓電源（6)、高壓電源控制器（7)、注射泵控制器（8)、Z 軸運動控制器（9)、XY運動平臺控制器（10)、電紡控制器（11)、微電流檢測器（12)，其中XY 平面運動平臺（1)用于固定基板（13)，并提供ΧΥ平面方向的相對運動；Ζ軸運動導軌（2)用 于提供Ζ方向的距離控制；用于實施電紡的紡絲噴針（3)裝設在用于為電紡提供聚合物材 料的注射器（4)的下端，用于為注射器（4)提供推力的注射泵（5)裝設在注射器（4)的上端， 注射泵（5)與注射泵控制器（8)連接，注射泵控制器（8)用于控制注射泵（5)的工作狀態； 高壓電源（6)用于為紡絲噴針（3)提供電壓，且高壓電源（6)與高壓電源控制器（7)連接， 高壓電源控制器（7)用于控制高壓電源（6)的工作狀態；用于控制Ζ軸導軌（2)的運動狀態 的Ζ軸運動控制器（9)與Ζ軸導軌（2)的驅動裝置連接；用于控制ΧΥ平面運動平臺（1)的 工作狀態的ΧΥ平臺運動控制器（10)與ΧΥ平面運動平臺（1)的驅動裝置連接；用于檢測電 紡電流參數的微電流檢測器（12)裝設在平面運動平臺（1)的旁側，微電流檢測器（12)將檢 測的電紡電流參數反饋給用于確定電紡狀態并調節電紡參數的電紡控制器（11)，高壓電源 控制器（7)、注射泵控制器（8)、Ζ軸運動控制器（9)、ΧΥ運動平臺控制器（10)與電紡控制器 (11)連接，電紡控制器（11)用于在生產制造中協調控制高壓電源控制器（7)、注射泵控制 器（8)、Ζ軸運動控制器（9)、ΧΥ運動平臺控制器（10)的控制狀態，可以通過調節電紡參數， 選擇柵線寬度。
7. -種微納級電磁柵尺的位移檢測系統，所述微納級電磁柵尺包括有不導電基板、聯 通電紡導電納米纖維線、不導電有機聚合物薄膜，在不導電基板上沉積有規則排列的聯通 電紡導電納米纖維線，這些聯通導電納米纖維線作為電紡電磁柵刻線，且在沉積有規則排 列的聯通導電納米纖維線的基板面上覆蓋一層不導電有機聚合物薄膜，不導電有機聚合物 薄膜可以保護電紡電磁柵刻線，其特征在于包括有用于精確定位的鎢針（21)、電感式傳感 器（22)、脈沖計數器（23)，其中用鎢針（21)作為感應器件劃過聯通導電納米纖維線（14)， 電感式傳感器（22 )在鎢針（21)劃過聯通導電納米纖維線（14)時產生電流脈沖，脈沖計數 器（23)記下電感式傳感器（22)產生電流脈沖的脈沖數量從而確定鎢針（21)的位移量。
【文檔編號】D01D5/00GK203881291SQ201420121421
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】王晗, 李敏浩, 陳新, 陳新度, 朱自明, 唐立虎, 李炯杰, 巫孟良 申請人:廣東工業大學