[实用新型]一种基于静电力原理的微纳力值标准装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及微小力值计量测试领域，尤其涉及一种基于静电力原理的微纳力值标准装置。

背景技术

随着微纳技术的不断发展，新材料、生物、微电子等领域对微小力值计量的需求越来越大。在材料纳米力学性能研究中采用的原子力显微镜微悬臂的弹性常数和纳米力学测量系统中的微小力值传感器的力值，均需要进行量值溯源。目前，我国尚缺少溯源到SI单位的(nN-mN)范围的计量标准装置和有效的溯源方法，各类用户、仪器制造商及研究机构只能采用基于不同原理的多种方法进行微小力值的测量，无法溯源到SI单位，因此在相关领域的材料力学特性测量结果准确度较低、分散性较大，导致了我国相关领域微纳器件/微纳系统的产品质量得不到保证，成为我国微纳技术产品向高端发展的瓶颈。

在微牛、纳牛测量范围，根据力值复现原理的不同，通常采用两种方法。一种是基于质量的方法，微小力值标准装置由三维直线运动台、一维压电陶瓷微动台和电磁补偿天平组成。被测微悬臂或微纳力值传感器被安装到压电陶瓷微动台上，随微动台以一定的位移间隔沿直线运动。计算机测控系统对微动台的位移进行精确控制，并在每个位移间隔点，分别采集微动台的位移、电磁补偿天平的输出和被测微悬臂或传感器的输出信号，可以计算出其弹性常数或力值灵敏度。由于受到砝码质量和微动台位移量值溯源技术的限制，这种方法测量结果的不确定度较大。

另一种是基于电学的方法，通常采用电容传感器复现静电力方式的微纳力值标准装置，由电容传感器(静电力发生装置)、弹性支撑机构、位移测量和控制系统等组成。装置的结构有所不同，有的采用同轴圆柱式电容器结构，有的采用平行板电容器结构。这种基于静电力复现的微纳力值标准装置将静电力值溯源到电学量(电压、电容)和几何量(长度)基准。

申请公布号CN102539028A的中国专利公开了一项发明名称为“基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置及其溯源方法”的技术方案，采用了后一种力值复现的原理和方法。该装置采用的弹性悬挂机构存在一定的位移蠕变；尚缺少高准确度的内外电极同轴度调整机构；对环境温度、振动等尚无法实现有效的控制，导致测量准确度不高。

实用新型内容

本实用新型的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本实用新型而学习。

为克服现有技术的问题，本实用新型提供一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，由静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元、测量控制单元组成；

该静电力发生单元包括：第一内电极，顶端设有第一主轴；外电极，同轴设置在该第一内电极外侧；第二内电极，顶端设有第二主轴；

该内电极位置调整单元，用于调整该第一内电极、第二内电极的位置，包括：支撑杆，沿Z轴方向设置；XY轴电动摆动台，与该支撑杆的底部相连，用于调整该支撑杆沿XY轴的俯仰角度；XY轴光栅尺平移台，与该XY轴电动摆动台相连，用于调整该XY轴电动摆动台和支撑杆的XY轴位移；齿轮齿条夹持器，夹持在该支撑杆上，用于沿Z轴方向移动，该齿轮齿条夹持器上设有第一直角块与第二直角块；

该微小力值引入单元，用于传递外部施加的微小力值，包括：第一柔性铰链组，一端与所述第一直角块相连，另一端与所述静电力发生单元的第一主轴相连；第二柔性铰链组，一端与所述第二直角块相连，另一端与所述静电力发生单元的第二主轴相连；

该外电极位置调整单元，用于调整该静电力发生单元中外电极的位置，包括：安装杆，与该外电极相连；压电陶瓷微动台，与该安装杆固定连接；压电陶瓷微动台调整组件，与该压电陶瓷微动台的底部相连，用于调整该压电陶瓷微动台的位置；

该悬臂位置调整单元包括：悬臂梁安装杆，一端安装被测微悬臂或微力传感器；悬臂梁位置调整组件，与该悬臂梁安装杆相连，用于调整该悬臂梁安装杆的位置；

该观测单元包括用于拍摄该静电力发生单元中第一内电极与外电极位置关系的同轴观测相机组以及用于观测该悬臂位置调整单元中被测微悬臂或微力传感器与该微小力值引入单元中第一柔性铰链组的接触状态的观测显微镜组；

该测量控制单元包括激光干涉位移测量器(也称为激光干涉位移测量系统)，用于通过位移差动测量方法测量所述静电力发生单元中第一内电极、第二内电极的位移，以减小蠕变对内电极位移测量的影响。