摘要：本研究建構(gòu)精密力微感測(cè)實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)，以測(cè)試驗(yàn)證觸覺(jué)感測(cè)組件特性。系統(tǒng)利用高精密度位移計(jì)相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供微小化晶粒對(duì)準(zhǔn)和接觸作用力之定位；并藉由通訊傳輸、訊號(hào)擷取和人機(jī)接口設(shè)計(jì)，完成可視化實(shí)時(shí)量測(cè)顯示系統(tǒng)。此實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)的性能驗(yàn)證，利用壓阻與壓電觸覺(jué)微感測(cè)組件測(cè)試完成。壓阻傳感器靜態(tài)負(fù)載力實(shí)驗(yàn)測(cè)試，精確量測(cè)到次毫克力微變化之感測(cè)輸出響應(yīng)。壓電感測(cè)組件動(dòng)態(tài)負(fù)載測(cè)試，實(shí)時(shí)觀察輸入振動(dòng)訊號(hào)與壓電輸出訊號(hào)的相關(guān)性；微感測(cè)量測(cè)結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示、亦可作數(shù)值儲(chǔ)存，以提供較復(fù)雜的信息分析。
關(guān)鍵詞: 實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)；微力量測(cè)系統(tǒng)；訊號(hào)擷取；壓阻和壓電量測(cè)。

1. 簡(jiǎn)介

醫(yī)學(xué)量度工程上發(fā)展觸覺(jué)傳感器，可以輔助量測(cè)人體生理訊號(hào)的變動(dòng)。肌肉骨胳之間失調(diào)、神經(jīng)末稍病變、脈搏、脊髓傷害、關(guān)節(jié)炎和皮膚組織病變等，都可以藉由觸覺(jué)傳感器量測(cè)人體物理量變化，協(xié)助醫(yī)療上診斷。對(duì)于手足傷殘病患而言，觸覺(jué)傳感器可以量測(cè)手部力量變化，可以幫助評(píng)估病患手部功能及輔助手部復(fù)健工作[1]-[3]；外科技術(shù)方面，可藉由觸覺(jué)傳感器評(píng)估替換后的人工關(guān)節(jié)及肌腱調(diào)換后復(fù)健狀態(tài)[4]；血壓量測(cè)及薄膜組織病變癌癥腫塊也可以利用觸覺(jué)傳感器來(lái)檢查人體異狀[5]-[6]；醫(yī)療補(bǔ)助復(fù)健器材方面，觸覺(jué)傳感器也應(yīng)用于義肢及輪椅等輔具上，協(xié)助病人行動(dòng)及減輕不適[7]，由于觸覺(jué)傳感器于醫(yī)療上廣泛應(yīng)用需求，近年來(lái)許多以硅微加工制作（Micro-Fabrication）觸覺(jué)傳感器已經(jīng)相繼開(kāi)發(fā)，如光學(xué)、壓電、壓阻和超音波等。

觸覺(jué)傳感器依型態(tài)分類(lèi)，可分為接觸式及非接觸式兩種形式觸覺(jué)傳感器，所謂接觸指的是傳感器與人體之間接觸；壓阻、電容及壓電式觸覺(jué)傳感器屬于接觸式，光學(xué)與超音波觸覺(jué)傳感器屬于非接觸式。本研究針對(duì)接觸式觸覺(jué)傳感器，開(kāi)發(fā)一套可以評(píng)估觸覺(jué)傳感器特性之微力量測(cè)校準(zhǔn)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以仿真人體力量變化，提供正向力或側(cè)向剪力之動(dòng)態(tài)施力，完成接觸式觸覺(jué)傳感器驗(yàn)證工作，同時(shí)也可以于人體直接量測(cè)，與觸覺(jué)傳感器施力測(cè)試相互驗(yàn)證。

2. 系統(tǒng)描述

本研究接觸力量測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，允許接觸力的量測(cè)范圍可由數(shù)亳克至一仟克，探針接觸的可調(diào)間隙范圍從0μm 到40μm。此機(jī)構(gòu)主要由二個(gè)部分組成，其一為致動(dòng)量測(cè)單元，含壓電致動(dòng)器、荷重元和探針；另一為可調(diào)三維之定位機(jī)構(gòu)，含 XY與Z 軸精密位移計(jì)、角度盤(pán)、高度規(guī)和底部基座等。在直接量測(cè)接觸力的情形下，如何適切作接觸的特性量測(cè)是本系統(tǒng)的首要考量，不良的力接觸過(guò)程，除了造成量測(cè)的誤差外，亦可能破壞待測(cè)組件。本系統(tǒng)以壓電伸縮原理作接觸方法量測(cè)，利用壓電致動(dòng)控制探針施力。此壓電致動(dòng)比起一般使用精密位移計(jì)來(lái)帶動(dòng)施力的基本方法，存在數(shù)優(yōu)點(diǎn)，首先，壓電伸縮產(chǎn)生的精密位移，可以提高施力范圍精度到達(dá)毫克的變化。次之，壓電伸縮精度于微米下移動(dòng)時(shí)，可準(zhǔn)確施加微力帶動(dòng)探針做直接接觸量測(cè)，充分降低探針與芯片不良接觸過(guò)程，進(jìn)而影響改善微力之量測(cè)特性。同時(shí)兼具保護(hù)微傳感器功能，避免過(guò)大的施力造成微組件損壞。最后，可控制壓電致動(dòng)器產(chǎn)生周期性切換，可對(duì)觸覺(jué)傳感器作動(dòng)態(tài)施力量測(cè)。微力變化的量測(cè)部分設(shè)計(jì)，采用高分辨率之荷重元（SENSOTEC MODEL 34）作為力的轉(zhuǎn)換單元，此荷重元的規(guī)格精度達(dá)到毫克，并具有零點(diǎn)校正功能，當(dāng)在荷重元前端裝置探針，可以減去探針的重量，量測(cè)到實(shí)際壓電致動(dòng)施力于感測(cè)晶粒的微力變化，施加作用力于觸覺(jué)傳感器上之作用點(diǎn)，則設(shè)計(jì)點(diǎn)力探針實(shí)現(xiàn)。

受限于觸覺(jué)傳感器微小化限制，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)需要更高精密度機(jī)構(gòu)組件才能達(dá)到探針與觸覺(jué)傳感器對(duì)位的要求。測(cè)量機(jī)以高倍顯微鏡或雷射光點(diǎn)，完成針尖與力微傳感器之接觸面中心對(duì)準(zhǔn)的動(dòng)作；藉由控制三軸平臺(tái)位移，達(dá)到對(duì)位的要求；水平軸對(duì)位以精度10μm X-Y 平臺(tái)，調(diào)整探針與觸覺(jué)傳感器接觸面的中心準(zhǔn)位點(diǎn)。垂直軸下針的動(dòng)作，以精度1μm 分厘卡頭，完成針尖與觸覺(jué)傳感器接觸面間的最小預(yù)力接觸量測(cè)。于X-Y 平臺(tái)底部加入可旋轉(zhuǎn)角度臺(tái)，做為觸覺(jué)傳感器的正向力與側(cè)向剪力量測(cè)機(jī)制，角度臺(tái)最小的旋轉(zhuǎn)刻度為1 度角，最大傾斜角左右各60 度。

圖1. 力微感測(cè)組件測(cè)量機(jī)構(gòu)
在致動(dòng)器上端加上支架，延伸出可屈折探棒機(jī)構(gòu)，并在探棒前端加上另一荷重元，可以直接使用于人體量測(cè)；如此，當(dāng)組件測(cè)量機(jī)構(gòu)施力量測(cè)時(shí)，可同時(shí)帶動(dòng)探棒施力。觸覺(jué)傳感器量測(cè)過(guò)程中，可由A、B 兩組由荷重元量測(cè)施力值比較，了解機(jī)構(gòu)所測(cè)試觸覺(jué)傳感器與直接人體量測(cè)時(shí)，兩者間差異，作為觸覺(jué)傳感器校正依據(jù)，因此，系統(tǒng)將同時(shí)擁有測(cè)試觸覺(jué)傳感器與及臨床校準(zhǔn)觸覺(jué)芯片的功能。

本感測(cè)量測(cè)系統(tǒng)設(shè)置方塊圖與實(shí)體圖，如圖2所示，系統(tǒng)的組成單元包含施力量測(cè)機(jī)構(gòu)、訊號(hào)處理、電子電路設(shè)計(jì)、人機(jī)接口、資料擷取與資料分析。當(dāng)探針與力微傳感器完成對(duì)位后，以LabVIEW軟件撰寫(xiě)人機(jī)接口，由GPIB 傳輸接口完成計(jì)算機(jī)與個(gè)別儀器間連結(jié)，再透過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)下達(dá)指令。交直流控制信號(hào)經(jīng)電壓放大器放大后驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，致動(dòng)器推動(dòng)裝置于前端機(jī)構(gòu)之荷重元與探針，施加微力于觸覺(jué)傳感器。在接觸的施力量測(cè)過(guò)程，可以獲得兩組輸出數(shù)據(jù)，一組為荷重元所量測(cè)得到的施力變化，可由荷重元電表上顯示出標(biāo)準(zhǔn)施力值。另一組為觸覺(jué)傳感器經(jīng)由訊號(hào)處理電路所獲得輸出的電壓值變化。利用GPIB 傳輸接口，取得荷重元電表數(shù)據(jù)與示波器上之觸覺(jué)傳感器輸出電壓，進(jìn)行實(shí)時(shí)訊號(hào)處理。整個(gè)量測(cè)過(guò)程中，可隨時(shí)由計(jì)算機(jī)屏幕上監(jiān)控施力與觸覺(jué)傳感器輸出變化情形，并同步記錄靜態(tài)資料的保存檔案，完成測(cè)試步驟，驗(yàn)證觸覺(jué)傳感器性能。

圖2. 微力實(shí)時(shí)量測(cè)系統(tǒng)
微傳感器實(shí)時(shí)量測(cè)人機(jī)接口操作顯示面板，如圖3所示，透過(guò)IEEE488.2通信協(xié)議，應(yīng)用程序具備一套與個(gè)別儀器間量測(cè)操作聯(lián)系的指令，使用者可透過(guò)友善人機(jī)接口直接下達(dá)控制指令，輸出弦波、方波或三角波等測(cè)試訊號(hào)，亦可調(diào)變測(cè)試訊號(hào)的頻率與測(cè)試訊號(hào)振幅的大小，變化各種量測(cè)范圍，提供了靜態(tài)的單點(diǎn)量測(cè)與動(dòng)態(tài)的連續(xù)量測(cè)功能。輸出與輸入間訊號(hào)波形的情形，則透過(guò)接口并行傳輸，達(dá)到實(shí)時(shí)的屏幕監(jiān)控。藉由適當(dāng)?shù)恼{(diào)整取樣數(shù)、取樣頻率可獲得最佳取樣數(shù)據(jù)。數(shù)值變化經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，允許使用者實(shí)時(shí)由屏幕上，直接獲得量測(cè)后數(shù)據(jù)整理，如峰值電壓值、周期頻率及取樣點(diǎn)間連續(xù)量測(cè)所得的數(shù)值資料。靜態(tài)資料透過(guò)儲(chǔ)存指令，允許將量測(cè)到資料轉(zhuǎn)成文字文件，以便可匯入其它的軟件上使用。