[发明专利]微牛/纳牛级超微力值测量装置及力值溯源方法

说明书

技术领域

本发明属于超微小力值计量与测量技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的发展，微机电系统(MEMS)中微尺度下构件的力学特性研究、微观摩擦现象观测、微传感微机器人微装配中微力监测、液体表面张力分析、薄膜、纤维力学性能研究、生物芯片以及生物体微组织力测量等，大量需要微小力值的测量。因此，微力传感器研究、制作、生产也就蓬勃开展。然而，微力传感器本身的性能计量显得相对滞后。因此研制一种使用方便、可溯源的超微力值计量测试仪器以提供10^-5N以下的基本力值标准成为迫切的需要。

发明内容

本发明的目的提供一种可溯源的超微小力值(10^-8～10^-5N)测量装置，其精度能够满足力值最高标准的需要，可以用来标定如探针型测力传感器、表面张力传感器以及在微机电系统、生物芯片制造技术中的微力检测器等，并为建立超微小力值计量体系提供技术保证。

本发明采用如下的技术方案：

一种微牛/纳牛级超微力值测量装置，包括杠杆，杠杆的一端为承载盘，另一端悬挂有弹簧，弹簧的另一端固定有内电极，所述内电极的上部设置有限制其沿z轴以外的运动自由度的机构，下部为圆筒形，在所述内电极下部外面套有外电极，所述外电极为与所述内电极的下部圆筒形同轴的圆筒形，其内径大于所述内电极下部圆筒形的外径，在所述外电极的另一端设置有用于测量内电极位移量的激光干涉仪。

上述的测量装置，最好还带有如下的由两个探针构成的平衡位置定位装置，第一探针固定在内电极上并垂直于内电极下部圆筒的轴线，第二探针设置在靠近第一探针平衡位置的位置，当所述的第一探针处于平衡位置时，两个探针之间存在气隙或超薄绝缘层。

本发明同时还提供一种采用该种测量装置的力值溯源方法，包括下列步骤：

步骤一：以称重零点位置为中心，使固定悬挂弹簧的杠杆一端进行位移扫描，记录扫描过程中的电容量变化，计算称重零点位置的电容梯度值；

步骤二：在电容两极板间施加偏压，使杠杆处于平衡状态；

步骤三：将具有一定标称值的尽可能小的标准砝码放置在杠杆另一端的载重盘上，那么杠杆悬挂弹簧的一端将偏离平衡位置，调节两电极间的电压使杠杆恢复平衡状态，根据此时电压值和公式F=1/2U2dCdz]]>以及根据步骤一所得到的电容梯度值，计算静电力值；

重复步骤三一次或一次以上，得到两组或两组以上不同标称值的标准砝码自重力值及与其所对应的静电力值，通过拟合得出静电力与标准砝码体现的自重力的关系曲线，再把曲线向更小力值方向延伸，实现超微力值的溯源。

本发明提出了一种高精度、可溯源至质量的超微力值测量系统——静电力杠杆平衡秤。它采用受控静电力发生装置复现微小力值，以激光干涉仪测量内外电极的相对位移，把力值变化变成电学量相对于位移量的精密电容梯度变化，并利用隧道电流效应精确定位等创新技术，通过杠杆结构与标准砝码自重力，组成平衡秤，实现10^-5N～10^-8N的微牛/纳牛级的超微力值测量及溯源，相对不确定度达10^-4量级。通过探讨超微力值测量与溯源方法中的关键技术难题，为研制超微力值计量仪器装备扫清技术障碍，为标定原子力显微镜、微力传感器等提供设备手段。

附图说明

图1是本发明中受控静电力杠杆平衡秤测量装置的结构图；

附图标记说明：

1杠杆        2承载盘    3弹簧

4内电极      5外电极    6激光干涉仪

7第一探针    8第二探针

具体实施方式

在国际单位制(SI)中，力是一个依据牛顿第二定律(F＝ma)的导出量，单位名称为牛(顿)(N)。当取[m]＝kg(千克)，[a]＝m/s²(米/秒²)时，则力的单位为：

[F]＝1kg·m/s²＝N(牛[顿])

由于某一地区的重力加速度g为常数，所以标准砝码自重力可以作为基准力。