[實用新型]一種基于靜電力原理的微納力值標準裝置

有效

• 申請號: 201420554210.0
• 申請日: 2014-09-24
• 公開（公告）號: CN204101217U
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 胡剛;蔣繼樂;張智敏;孟峰
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L25/00
• 代理公司: 北京思創畢升專利事務所 11218
• 代理人: 郭韞

技術領域

本實用新型涉及微小力值計量測試領域，尤其涉及一種基于靜電力原理的微納力值標準裝置。

背景技術

隨著微納技術的不斷發展，新材料、生物、微電子等領域對微小力值計量的需求越來越大。在材料納米力學性能研究中采用的原子力顯微鏡微懸臂的彈性常數和納米力學測量系統中的微小力值傳感器的力值，均需要進行量值溯源。目前，我國尚缺少溯源到SI單位的(nN-mN)范圍的計量標準裝置和有效的溯源方法，各類用戶、儀器制造商及研究機構只能采用基于不同原理的多種方法進行微小力值的測量，無法溯源到SI單位，因此在相關領域的材料力學特性測量結果準確度較低、分散性較大，導致了我國相關領域微納器件/微納系統的產品質量得不到保證，成為我國微納技術產品向高端發展的瓶頸。

在微牛、納牛測量范圍，根據力值復現原理的不同，通常采用兩種方法。一種是基于質量的方法，微小力值標準裝置由三維直線運動臺、一維壓電陶瓷微動臺和電磁補償天平組成。被測微懸臂或微納力值傳感器被安裝到壓電陶瓷微動臺上，隨微動臺以一定的位移間隔沿直線運動。計算機測控系統對微動臺的位移進行精確控制，并在每個位移間隔點，分別采集微動臺的位移、電磁補償天平的輸出和被測微懸臂或傳感器的輸出信號，可以計算出其彈性常數或力值靈敏度。由于受到砝碼質量和微動臺位移量值溯源技術的限制，這種方法測量結果的不確定度較大。

另一種是基于電學的方法，通常采用電容傳感器復現靜電力方式的微納力值標準裝置，由電容傳感器(靜電力發生裝置)、彈性支撐機構、位移測量和控制系統等組成。裝置的結構有所不同，有的采用同軸圓柱式電容器結構，有的采用平行板電容器結構。這種基于靜電力復現的微納力值標準裝置將靜電力值溯源到電學量(電壓、電容)和幾何量(長度)基準。

申請公布號CN102539028A的中國專利公開了一項發明名稱為“基于靜電力原理的垂直式超微力值測量裝置及其溯源方法”的技術方案，采用了后一種力值復現的原理和方法。該裝置采用的彈性懸掛機構存在一定的位移蠕變；尚缺少高準確度的內外電極同軸度調整機構；對環境溫度、振動等尚無法實現有效的控制，導致測量準確度不高。

實用新型內容

本實用新型的特征和優點在下文的描述中部分地陳述，或者可從該描述顯而易見，或者可通過實踐本實用新型而學習。

為克服現有技術的問題，本實用新型提供一種基于靜電力原理的微納力值標準裝置，其特征在于，由靜電力發生單元、內電極位置調整單元、微小力值引入單元、外電極位置調整單元、懸臂位置調整單元、觀測單元、測量控制單元組成；

該靜電力發生單元包括：第一內電極，頂端設有第一主軸；外電極，同軸設置在該第一內電極外側；第二內電極，頂端設有第二主軸；

該內電極位置調整單元，用于調整該第一內電極、第二內電極的位置，包括：支撐桿，沿Z軸方向設置；XY軸電動擺動臺，與該支撐桿的底部相連，用于調整該支撐桿沿XY軸的俯仰角度；XY軸光柵尺平移臺，與該XY軸電動擺動臺相連，用于調整該XY軸電動擺動臺和支撐桿的XY軸位移；齒輪齒條夾持器，夾持在該支撐桿上，用于沿Z軸方向移動，該齒輪齒條夾持器上設有第一直角塊與第二直角塊；

該微小力值引入單元，用于傳遞外部施加的微小力值，包括：第一柔性鉸鏈組，一端與所述第一直角塊相連，另一端與所述靜電力發生單元的第一主軸相連；第二柔性鉸鏈組，一端與所述第二直角塊相連，另一端與所述靜電力發生單元的第二主軸相連；

該外電極位置調整單元，用于調整該靜電力發生單元中外電極的位置，包括：安裝桿，與該外電極相連；壓電陶瓷微動臺，與該安裝桿固定連接；壓電陶瓷微動臺調整組件，與該壓電陶瓷微動臺的底部相連，用于調整該壓電陶瓷微動臺的位置；

該懸臂位置調整單元包括：懸臂梁安裝桿，一端安裝被測微懸臂或微力傳感器；懸臂梁位置調整組件，與該懸臂梁安裝桿相連，用于調整該懸臂梁安裝桿的位置；

該觀測單元包括用于拍攝該靜電力發生單元中第一內電極與外電極位置關系的同軸觀測相機組以及用于觀測該懸臂位置調整單元中被測微懸臂或微力傳感器與該微小力值引入單元中第一柔性鉸鏈組的接觸狀態的觀測顯微鏡組；

該測量控制單元包括激光干涉位移測量器(也稱為激光干涉位移測量系統)，用于通過位移差動測量方法測量所述靜電力發生單元中第一內電極、第二內電極的位移，以減小蠕變對內電極位移測量的影響。