[發(fā)明專利]微牛/納牛級超微力值測量裝置及力值溯源方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810053829.2
• 申請日: 2008-07-11
• 公開（公告）號: CN101319980A
• 公開（公告）日: 2008-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 齊永岳;林玉池;趙美蓉;付魯華;黃銀國;宋樂
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00;G01N13/16
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務(wù)所
• 代理人: 江鎮(zhèn)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超微小力值計量與測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微機電系統(tǒng)(MEMS)中微尺度下構(gòu)件的力學(xué)特性研究、微觀摩擦現(xiàn)象觀測、微傳感微機器人微裝配中微力監(jiān)測、液體表面張力分析、薄膜、纖維力學(xué)性能研究、生物芯片以及生物體微組織力測量等，大量需要微小力值的測量。因此，微力傳感器研究、制作、生產(chǎn)也就蓬勃開展。然而，微力傳感器本身的性能計量顯得相對滯后。因此研制一種使用方便、可溯源的超微力值計量測試儀器以提供10^-5N以下的基本力值標準成為迫切的需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的提供一種可溯源的超微小力值(10^-8～10^-5N)測量裝置，其精度能夠滿足力值最高標準的需要，可以用來標定如探針型測力傳感器、表面張力傳感器以及在微機電系統(tǒng)、生物芯片制造技術(shù)中的微力檢測器等，并為建立超微小力值計量體系提供技術(shù)保證。

本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種微牛/納牛級超微力值測量裝置，包括杠桿，杠桿的一端為承載盤，另一端懸掛有彈簧，彈簧的另一端固定有內(nèi)電極，所述內(nèi)電極的上部設(shè)置有限制其沿z軸以外的運動自由度的機構(gòu)，下部為圓筒形，在所述內(nèi)電極下部外面套有外電極，所述外電極為與所述內(nèi)電極的下部圓筒形同軸的圓筒形，其內(nèi)徑大于所述內(nèi)電極下部圓筒形的外徑，在所述外電極的另一端設(shè)置有用于測量內(nèi)電極位移量的激光干涉儀。

上述的測量裝置，最好還帶有如下的由兩個探針構(gòu)成的平衡位置定位裝置，第一探針固定在內(nèi)電極上并垂直于內(nèi)電極下部圓筒的軸線，第二探針設(shè)置在靠近第一探針平衡位置的位置，當所述的第一探針處于平衡位置時，兩個探針之間存在氣隙或超薄絕緣層。

本發(fā)明同時還提供一種采用該種測量裝置的力值溯源方法，包括下列步驟：

步驟一：以稱重零點位置為中心，使固定懸掛彈簧的杠桿一端進行位移掃描，記錄掃描過程中的電容量變化，計算稱重零點位置的電容梯度值；

步驟二：在電容兩極板間施加偏壓，使杠桿處于平衡狀態(tài)；

步驟三：將具有一定標稱值的盡可能小的標準砝碼放置在杠桿另一端的載重盤上，那么杠桿懸掛彈簧的一端將偏離平衡位置，調(diào)節(jié)兩電極間的電壓使杠桿恢復(fù)平衡狀態(tài)，根據(jù)此時電壓值和公式F=1/2U2dCdz]]>以及根據(jù)步驟一所得到的電容梯度值，計算靜電力值；

重復(fù)步驟三一次或一次以上，得到兩組或兩組以上不同標稱值的標準砝碼自重力值及與其所對應(yīng)的靜電力值，通過擬合得出靜電力與標準砝碼體現(xiàn)的自重力的關(guān)系曲線，再把曲線向更小力值方向延伸，實現(xiàn)超微力值的溯源。

本發(fā)明提出了一種高精度、可溯源至質(zhì)量的超微力值測量系統(tǒng)——靜電力杠桿平衡秤。它采用受控靜電力發(fā)生裝置復(fù)現(xiàn)微小力值，以激光干涉儀測量內(nèi)外電極的相對位移，把力值變化變成電學(xué)量相對于位移量的精密電容梯度變化，并利用隧道電流效應(yīng)精確定位等創(chuàng)新技術(shù)，通過杠桿結(jié)構(gòu)與標準砝碼自重力，組成平衡秤，實現(xiàn)10^-5N～10^-8N的微牛/納牛級的超微力值測量及溯源，相對不確定度達10^-4量級。通過探討超微力值測量與溯源方法中的關(guān)鍵技術(shù)難題，為研制超微力值計量儀器裝備掃清技術(shù)障礙，為標定原子力顯微鏡、微力傳感器等提供設(shè)備手段。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中受控靜電力杠桿平衡秤測量裝置的結(jié)構(gòu)圖；

附圖標記說明：

1杠桿????????2承載盤????3彈簧

4內(nèi)電極??????5外電極????6激光干涉儀

7第一探針????8第二探針

具體實施方式

在國際單位制(SI)中，力是一個依據(jù)牛頓第二定律(F＝ma)的導(dǎo)出量，單位名稱為牛(頓)(N)。當取[m]＝kg(千克)，[a]＝m/s²(米/秒²)時，則力的單位為：

[F]＝1kg·m/s²＝N(牛[頓])

由于某一地區(qū)的重力加速度g為常數(shù)，所以標準砝碼自重力可以作為基準力。