CN101319980A - 微牛/纳牛级超微力值测量装置及力值溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超微小力值计量与测量技术领域，涉及一种微牛/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。本发明同时提供一种超微小力值溯源方法，本发明提供的测量装置，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。

Description

微牛/纳牛级超微力值测量装置及力值溯源方法

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 $F=1/2U^2\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dz}}$ 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。

力在自然界是广泛存在的，通过物理方法复现力值也是比较方便的，利用国际单位制中的基本物理量导出其它的物理量是一种典型的方法。当这些物理方法中的被测量采用国际单位制中的基本物理量时，可以获得最低的不确定度。

力值的电学复现方法可以采用电磁力，也可以采用静电力。一般称载流导体在磁场中受的力为电磁力，而称静止电荷在静电场中受的力为静电力。静电力产生的力值虽然小于电磁力，但度量方法较容易实行。静电力的产生还被广泛应用于MEMS技术，而且产生的力值理论上在10^-8～10^-4N的测量范围内，可以采用国际单位制中的长度量和电学量相结合的方法进行力值复现。

本发明采取受控静电力通过杠杆构成受控静电力杠杆平衡秤。标准砝码自重力经杠杆产生微小基准力，标定每单位位移的静电力，并对被测微小力值进行溯源。

下面根据附图和实施例，对本发明做进一步详述。

(1)系统结构组成

按照既可测量，又可溯源的超微力值测量的要求，采取如图1所示的受控静电力杠杆1平衡秤测量系统。系统包括受控静电力发生装置、激光干涉仪6、杠杆1及刀口装置、平衡位置定位装置、承载盘2、电容测量及计算机控制处理平台(图中未画出)。

如图1所示，受控静电力发生装置和载重盘分别位于杠杆1及刀口装置的两端，激光干涉仪6测量受控静电力发生装置的内电极4相对于外电极5的位移量，平衡位置定位装置可保证杠杆1平衡秤平衡时，受控静电力发生装置的作用方向沿着一条垂直的轴线，承载盘2的受力方向垂直于杠杆1中心线，即杠杆1两端的受力方向都与重力线平行。

当外力作用于承载盘2时，杠杆1失去平衡，此时施加电压，控制静电力发生装置，使杠杆1重新回到平衡位置。通过激光干涉仪6测量内外电极5相对位置变化，电容测量装置得到电容量的变化，求出静电平衡力，经处理得出被测力的测量结果。若用标准砝码置于承载盘2时，就可对静电力进行标定和溯源。

(2)受控静电力发生装置

1)装置

如图1所示，静电力发生装置的工作电极由一对嵌套在一起且同轴的圆筒组成，外部电极的圆筒是固定的，而内部电极的圆筒可以沿着z轴移动，从而改变两电极间的有效相对面积。内电极4通过一个柔性弹簧悬挂在杠杆1A端，其结构形式为上“方”下“圆”；下部的圆形结构则为工作电极，上部的方形结构是为了限制内电极4沿z轴以外的运动自由度。原则上几何电容量是与两电极间的有效相对面积是成正比的，通过严格保证内外电极5的同轴度，产生的静电力完全沿着z轴(对称轴)方向；采用了一种轻型片簧平衡悬挂系统，用来产生直线运动防止内部电极沿x，y，z轴旋转或是沿x，y轴产生位移。控制内外电极5的同轴度，防止随着电极间相对面积的改变而引起的电容的非线性变化，从而产生偏离z轴方向的力。通过控制内外电极5间的电压值，可以始终保持一个平衡力作用于悬挂系统，使平衡秤处于平衡状态。

2)装置的工作原理

对于一个一维电容器而言，保持两电极间的电压为固定值，这时如果改变两个电极的相对位置，则需要做功：

dW＝F·dz＝1/2U²dC    (1)

式中：dW为能量的变化(机械功)；F为力值；dz为电容器两电极相对位置的变化；U为电容器两端的电压。

这样，通过测量电容器两端电压U以及电容变化梯度dC/dz，就可以得到力值的大小。

$F=1/2U^2\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dz}}---\left(2\right)$

当然，这只是理想的一维近似系统，而实际上应该是一种多维系统，伴随着许多外部场和杂散电荷的存在。必须通过对工作电极的几何尺寸及悬挂系统加以适当约束，尽可能实现这样一个理想化的一维系统，使其不受外界作用场和电荷的影响。在原型机的设计中，应有利于实现静电力与自重力的“匹配”，希望在一定的测量范围内取得较佳的测量不确定度。

(3)激光干涉仪

本发明采用激光干涉技术测量内电极4的位移量，光路结构如图1所示，其中参考反射镜固定在外电极5底部，测量反射镜固定在内电极4底部。具体形式采用单频干涉仪，单频干涉仪结构简单，但干涉信号容易受到工作环境的影响，因此采取了直流电平漂移、不等幅及非正交等误差修正措施。

(4)杠杆及刀口装置

本发明采用杠杆装置，目的是为了用较大的标准砝码来标定较小静电力，提高静电力标定精度，进而提高超微力值的测量精度和溯源的可靠性。同时可通过装置设计保证外力作用线与电极轴线严格一致。但是引入杠杆1却增加了装置的难度，一是杠杆1必须有支点，刀口摩擦力会对测量造成影响；二是杠杆1的运动自由度必须限制；三是杠杆1的静电力作用端的运动轨迹成弧线。

杠杆1的运动自由度拟从刀口与刀垫的结构和静电力内外电极5结构来限制，刀口摩擦力的问题采用以下方案：

①刀口与刀垫采用坚硬的不易磨损的玛瑙(或人造宝石)制成，减小摩擦力。

②采用微细的气浮或磁悬浮的结构，托起杠杆1。

③杠杆1的静电力作用端的运动轨迹问题，首先是运动范围很小，其次是通过采用了一种轻型片簧平衡悬挂方法吸收径向的位移偏差。

④杠杆1比根据受控静电力装置行程与测力范围合理确定。

(5)平衡位置定位装置

杠杆1装置有一平衡位置，即杠杆1的中心线与重力线垂直。平衡位置定位不准，将引起测量误差。本发明采取“隧道电流法”确定零位位置：

隧道效应是一种超导体的量子干涉效应。两导体之间有极窄气隙或超薄绝缘层，这时两导体两端施加直流电压，两导体之间形成电流，这种现象称为隧道效应。第一探针7固定在运动的内电极4上，第二探针8固定在静止的外电极5上，第一探针7、b似碰而非碰时，即第一探针7、b严格对准以后隧道电流产生，确定为零位位置。这种方法确定零位位置具有极高的位置精度。利用隧道效应原理制成的原子力显微镜(AFM)，其分辨力高达到0.01nm(0.1A)。

(6)环境控制

对于超微力值测量，环境的影响将是很大的，甚至在某种程度上说是致命的。本发明从防震、温度、气流几方面加以控制。

①把装置安装在采取隔震平台上。

②实验室恒温控制温度。

③采用真空台进行气流控制。

(7)其它部分电路及计算机控制处理平台

系统中需要静电力产生控制电路、电容量测量电路、平衡位置定位的处理电路、激光干涉仪接口电路、电源及必要的修正量采集电路等。计算机控制处理平台将在统一的界面下，实现对各部分信号的采集、控制和数据的处理，并把结果显示、输出。

(8)实验手段

1)电容梯度dC/dz的确定

确定电容梯度dC/dz的方法为：以称重测量的零点，即平衡位置为中心，使固定悬挂弹簧的杠杆A端来回地进行位移扫描，扫描距离大约为400um。在每一次扫描过程中，每隔大约40um为一步，记录下当时的电容量，扫描结束后，将每步测量结果进行平均，得出单次扫描的电容梯度值。这样的扫描过程重复进行n次，最后求出n次扫描结果的平均值，并计算出标准偏差，作为称重零点位置的电容梯度值。

2)静电力标定与力值溯源

静电力标定方法是将静电力和测试标准砝码产生的自重力进行比较，给出单位静电力与标准砝码自重力的关系。首先在电容两极板间施加一定的偏压，产生一定的静电力，使杠杆处于平衡状态，然后将具有一定标称值的标准砝码放置在杠杆B端的载重盘上，那么杠杆A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，此时的电压值即代表着力值的大小。利用公式(2)计算出此时静电力的大小，并与标准砝码体现的自重力相比较。

利用标准砝码对小力值进行溯源，主要难点是没有太小的标准砝码。由于受最小标准砝码的限制，所以采用两个或多个不同的、尽可能小的标准砝码进行称量实验，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，再把曲线向下(更小力值方向)延伸，通过线性化方法产生超微力值基准，实现超微力值的溯源。静电力与标准砝码自重力比例关系压缩，即可用较大的标准砝码进行标定。

Claims (3)

1.一种微牛/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。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置带有平衡位置定位装置，所述平衡位置定位装置由两个探针构成，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。

3.一种使用权利要求1所述的测量装置进行力值溯源的方法，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 $F=1/2U^2\frac{\mathrm{dC}}{\mathrm{dz}}$ 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。

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