摘要：本研究建構精密力微感測實時量測系統，以測試驗證觸覺感測組件特性。系統利用高精密度位移計相關機構設計，提供微小化晶粒對準和接觸作用力之定位；并藉由通訊傳輸、訊號擷取和人機接口設計，完成可視化實時量測顯示系統。此實時量測系統的性能驗證，利用壓阻與壓電觸覺微感測組件測試完成。壓阻傳感器靜態負載力實驗測試，精確量測到次毫克力微變化之感測輸出響應。壓電感測組件動態負載測試，實時觀察輸入振動訊號與壓電輸出訊號的相關性；微感測量測結果可實時顯示、亦可作數值儲存，以提供較復雜的信息分析。
關鍵詞: 實時量測系統；微力量測系統；訊號擷取；壓阻和壓電量測。

1. 簡介

醫學量度工程上發展觸覺傳感器，可以輔助量測人體生理訊號的變動。肌肉骨胳之間失調、神經末稍病變、脈搏、脊髓傷害、關節炎和皮膚組織病變等，都可以藉由觸覺傳感器量測人體物理量變化，協助醫療上診斷。對于手足傷殘病患而言，觸覺傳感器可以量測手部力量變化，可以幫助評估病患手部功能及輔助手部復健工作[1]-[3]；外科技術方面，可藉由觸覺傳感器評估替換后的人工關節及肌腱調換后復健狀態[4]；血壓量測及薄膜組織病變癌癥腫塊也可以利用觸覺傳感器來檢查人體異狀[5]-[6]；醫療補助復健器材方面，觸覺傳感器也應用于義肢及輪椅等輔具上，協助病人行動及減輕不適[7]，由于觸覺傳感器于醫療上廣泛應用需求，近年來許多以硅微加工制作（Micro-Fabrication）觸覺傳感器已經相繼開發，如光學、壓電、壓阻和超音波等。

觸覺傳感器依型態分類，可分為接觸式及非接觸式兩種形式觸覺傳感器，所謂接觸指的是傳感器與人體之間接觸；壓阻、電容及壓電式觸覺傳感器屬于接觸式，光學與超音波觸覺傳感器屬于非接觸式。本研究針對接觸式觸覺傳感器，開發一套可以評估觸覺傳感器特性之微力量測校準系統，系統可以仿真人體力量變化，提供正向力或側向剪力之動態施力，完成接觸式觸覺傳感器驗證工作，同時也可以于人體直接量測，與觸覺傳感器施力測試相互驗證。

2. 系統描述

本研究接觸力量測機構設計如圖1 所示，允許接觸力的量測范圍可由數亳克至一仟克，探針接觸的可調間隙范圍從0μm 到40μm。此機構主要由二個部分組成，其一為致動量測單元，含壓電致動器、荷重元和探針；另一為可調三維之定位機構，含 XY與Z 軸精密位移計、角度盤、高度規和底部基座等。在直接量測接觸力的情形下，如何適切作接觸的特性量測是本系統的首要考量，不良的力接觸過程，除了造成量測的誤差外，亦可能破壞待測組件。本系統以壓電伸縮原理作接觸方法量測，利用壓電致動控制探針施力。此壓電致動比起一般使用精密位移計來帶動施力的基本方法，存在數優點，首先，壓電伸縮產生的精密位移，可以提高施力范圍精度到達毫克的變化。次之，壓電伸縮精度于微米下移動時，可準確施加微力帶動探針做直接接觸量測，充分降低探針與芯片不良接觸過程，進而影響改善微力之量測特性。同時兼具保護微傳感器功能，避免過大的施力造成微組件損壞。最后，可控制壓電致動器產生周期性切換，可對觸覺傳感器作動態施力量測。微力變化的量測部分設計，采用高分辨率之荷重元（SENSOTEC MODEL 34）作為力的轉換單元，此荷重元的規格精度達到毫克，并具有零點校正功能，當在荷重元前端裝置探針，可以減去探針的重量，量測到實際壓電致動施力于感測晶粒的微力變化，施加作用力于觸覺傳感器上之作用點，則設計點力探針實現。

受限于觸覺傳感器微小化限制，機構設計相對需要更高精密度機構組件才能達到探針與觸覺傳感器對位的要求。測量機以高倍顯微鏡或雷射光點，完成針尖與力微傳感器之接觸面中心對準的動作；藉由控制三軸平臺位移，達到對位的要求；水平軸對位以精度10μm X-Y 平臺，調整探針與觸覺傳感器接觸面的中心準位點。垂直軸下針的動作，以精度1μm 分厘卡頭，完成針尖與觸覺傳感器接觸面間的最小預力接觸量測。于X-Y 平臺底部加入可旋轉角度臺，做為觸覺傳感器的正向力與側向剪力量測機制，角度臺最小的旋轉刻度為1 度角，最大傾斜角左右各60 度。

圖1. 力微感測組件測量機構
在致動器上端加上支架，延伸出可屈折探棒機構，并在探棒前端加上另一荷重元，可以直接使用于人體量測；如此，當組件測量機構施力量測時，可同時帶動探棒施力。觸覺傳感器量測過程中，可由A、B 兩組由荷重元量測施力值比較，了解機構所測試觸覺傳感器與直接人體量測時，兩者間差異，作為觸覺傳感器校正依據，因此，系統將同時擁有測試觸覺傳感器與及臨床校準觸覺芯片的功能。

本感測量測系統設置方塊圖與實體圖，如圖2所示，系統的組成單元包含施力量測機構、訊號處理、電子電路設計、人機接口、資料擷取與資料分析。當探針與力微傳感器完成對位后，以LabVIEW軟件撰寫人機接口，由GPIB 傳輸接口完成計算機與個別儀器間連結，再透過個人計算機下達指令。交直流控制信號經電壓放大器放大后驅動致動器，致動器推動裝置于前端機構之荷重元與探針，施加微力于觸覺傳感器。在接觸的施力量測過程，可以獲得兩組輸出數據，一組為荷重元所量測得到的施力變化，可由荷重元電表上顯示出標準施力值。另一組為觸覺傳感器經由訊號處理電路所獲得輸出的電壓值變化。利用GPIB 傳輸接口，取得荷重元電表數據與示波器上之觸覺傳感器輸出電壓，進行實時訊號處理。整個量測過程中，可隨時由計算機屏幕上監控施力與觸覺傳感器輸出變化情形，并同步記錄靜態資料的保存檔案，完成測試步驟，驗證觸覺傳感器性能。

圖2. 微力實時量測系統
微傳感器實時量測人機接口操作顯示面板，如圖3所示，透過IEEE488.2通信協議，應用程序具備一套與個別儀器間量測操作聯系的指令，使用者可透過友善人機接口直接下達控制指令，輸出弦波、方波或三角波等測試訊號，亦可調變測試訊號的頻率與測試訊號振幅的大小，變化各種量測范圍，提供了靜態的單點量測與動態的連續量測功能。輸出與輸入間訊號波形的情形，則透過接口并行傳輸，達到實時的屏幕監控。藉由適當的調整取樣數、取樣頻率可獲得最佳取樣數據。數值變化經數據處理后，允許使用者實時由屏幕上，直接獲得量測后數據整理，如峰值電壓值、周期頻率及取樣點間連續量測所得的數值資料。靜態資料透過儲存指令，允許將量測到資料轉成文字文件，以便可匯入其它的軟件上使用。