CN104964770A - 微小构件摩擦力测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微小构件摩擦力测试装置,包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，本发明的微机械系统构件的微小摩擦力测试装置，可以准确获取两种不同介质之间的摩擦力，满足微机械设计过程中，对零构件零摩擦或者具有稳定数值的摩擦力的要求。

Description

微小构件摩擦力测试装置

技术领域

本发明属于两种介质间的摩擦力测量技术领域，涉及到微机械系统，具体涉及一种微小构件摩擦力测试装置。

背景技术

近年来，机械产品及零部件的微小型化已经发展成为一种全球化趋势，相对于传统机械而言，微机械中的摩擦磨损问题及其机理成为科研的热点之一。微摩擦磨损的存在影响微系统中构件的运动平稳性，损耗系统工作能量，甚至影响整体微机械结构的性能和寿命。一方面，微机械不能从外部连续获得较大能量，而微构件间的摩擦阻力不仅影响其运动平稳性，还会损耗大量能量，因此在微机械设计中要尽量减小摩擦力，降低摩擦损耗，甚至实现零摩擦；另一方面，在一些特殊功能的微机械系统构件中，反而利用摩擦力作为牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以在线调整与实时控制。因此需要研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，测试两种不同介质之间的摩擦力的系统装置具有十分重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微小构件摩擦力测试装置，测试装置能够同时测量微小正压力和切向摩擦力，便于研究正压力和摩擦力的变化关系，分析摩擦系数。

本发明的技术方案是：一种微小构件摩擦力测试装置，包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，所述传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

微小构件摩擦力测试装置的传感器阵列上设置了一层柔性薄膜，柔性薄膜与水平工作台固定。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

本发明有如下积极效果：本发明的微小构件摩擦力测试装置，可以准确获取两种不同介质之间的摩擦力，满足微机械涉及过程中，对零构件零摩擦或者具有稳定数值的摩擦力的要求，对研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题具有重要意义。另外，本发明的电容压力传感器有效使用平板面积，并且通过驱动电极两端预留等方式有效解决三维力间耦合，并利用特殊的条状电容结构，使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图。

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图。

图5是本发明的具体实施方式的宽度为a₀和ka₀的电容对受力偏移图。

图6是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器结构图。

图7是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号示意图。

图8为本发明具体实施方式微小摩擦力测试装置结构图。

图9为本发明具体实施方式摩擦力测试装置传感器位置布置图。

其中，1法向载荷加载装置，2被测样品，3水平工作台。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的主要思路是：对于运动的微机电系统来说，由于微型机械的运动构件十分微小，作用于其表面的摩擦力和润滑粘滞力对整个系统性能的影响比体积力要大很多，携带的动力源又有限，需要研究减小摩擦阻力的方法；另一方面，摩擦力往往又是微系统的牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值并能够主动控制。因此需要研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，对摩擦力的分析，关键的是对构件的摩擦系数的测量。

如图8所示，为本发明的微小摩擦力测试装置的结构图，该装置主要包括法向载荷加载装置1，水平工作台3，将被测样品2放置在水平工作台3上，水平工作台3上设有二维力测量装置，能够测量同一时刻的法向载荷力和横向摩擦力。在水平工作台上均匀的布置上二维力传感器阵列，如图9，每个传感器之间空有间隔，在传感器阵列上设置一层柔性薄膜。

本发明仪器的工作过程是：将被测样品放置在柔性薄膜上，由于法向载荷很小，这就对被测样品2的水平度要求很高，这里可以采用反馈调节的方式避免水平工作台不平整导致的重力分力干扰，最后影响摩擦力和摩擦系数的求解。首先，粗调整水平工作台，然后开始读取传感器的读数，如果水平工作台不平整，则传感器测得的横向摩擦力不为零。通过这一信号反馈，就可以实现对水平工作台的微调。

调整好水平工作台后，将法向载荷加载装置沿法向移动，使法向载荷加载装置的探针接触到被测样品，给被测样品一个法向的压力，可以通过传感器前后读取到的法向的力差值得到，这里需要考虑到被测样品的重力。保持法向载荷加载装置1的位置不变，可实现法向载荷的恒定。通过移动水平工作台，记录下这一过程中法向载荷力和横向摩擦力，可获得切向的摩擦力和法向的载荷力的关系曲线。理论上，摩擦力和法向的载荷力的关系曲线应该是一条直线，斜率是摩擦系数，通过曲线拟合方法，求解出摩擦系数。具体的，传感器阵列的每个传感器都对应了一个切向的摩擦力和法向的载荷力，通过这个关系可以求得传感器所对应的单位面积上的摩擦系数，可以通过这个摩擦系数来判断被测样品2的整体光滑度。

以下详述本发明的三向力传感器的测量原理：如图4-6为本发明压力传感器的极板结构图，传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理器之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

1、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、介质厚度d₀。三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中A＝a₀·b₀为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

式中，E为弹性介质的杨氏模量(单位：GN/m²)，G为弹性介质的抗剪模量(单位：GN/m²)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

(2)电容公式及其输入输出特性

矩形平行板电容器的初始电容为：

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(4)得到输入输出特性

(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度

a、法向线性度

在(5)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n＜＜1，将(5)按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，(5)式可简化为：

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

b、灵敏度

按法向灵敏度的定义

按(6)式可得线性灵敏度，

S_n1＝C₀/AE＝ε₀ε_r/d₀E   (7)

而按(5)式则

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y并不改变极板的几何尺寸参数b₀和a₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了条状电容单元的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。现以OX方向为例，极板在τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图2中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图3中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图4中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，τ_x在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

根据剪切虎克定律

τ₀＝γ_x·G＝G·δ_x/d₀            (10)

将(10)代入(9)可得

(11)式即为切应力下的输入-输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

设定的原始指标法向最大接触应力σ_nmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形10×10mm²，则最大法向力F_Zmax为σ_nmax·A＝20N。切向最大接触应力τ_max为70Kp，切向应力的受力分布面均为10×10mm²，则最大切向力分量F_xmax＝F_ymax＝τ_max·A＝7N。

图3和图4所示的条状电容单元结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x输入的关系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)，具体如图5所示。

图5中，电容单元C_L和C_R电极尺寸b₀、d₀均相同，宽度一个为a₀，一个为ka₀，其中k为常数，优选大于1的整数。当τ_x＝0时，C_L＝C₀，C_R＝kC₀，在此基础上如在F_x激励下产生δ_x的错误偏移，将会形成如图3或4所示的偏移效果。

C_L和C_R电容单元对在同一个τ_x将产生δ_x和ΔC_τ的响应。

由此，公式(11)可修改为

式中，为切应力为零时的初始电容，上式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

参见图6的电极平面布置，在一个10×10mm²的基板中心作十字分隔，形成四个象限，右上第一象限I、左上第二象限II、左下第三象限III、右下第四象限IV，其中I、III象限为对τ_x做出响应的电容单元组合，而II、IV象限为对τ_y做出响应的电容单元组合。外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)。

电容单元模块采用梳齿结构，电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。由公式(12)a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为ka₀+a₀+2a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka₀+a₀+2a_δ)b₀/2≈1方形基板表面积，M为条状电容数量，则有M(ka₀+a₀+2a_δ)＝20mm，式中，槽宽a_δ不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度S_n和切向灵敏度S_τ相等，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留差位理论上应保证 其计算值为 故在工艺上应保证b_0驱-b_0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应不产生任何影响，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τ_x在I、III象限电容单元产生对τ_x的电容响应，而在II、IV象限电容单元则产生对τ_y的电容响应，以保证四个象限中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。

(2)法向应力和切向力的计算

设图5中宽度为a₀的条状电容单元在受到切向力τ_x，产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₁，宽度为ka₀的条状电容单元在受到切向力τ_x，产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₂，则有：

由(15)-(16)得到：

计算得到：

由(15)*k-(16)得到：

将(17)代入上式，可以得到：

根据

可知：

由所以

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符号的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除。同理可以求出F_τy。

(4)主要材料选择及其特性参数

梳齿状平行板电容器的极板间距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

(5)电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，四个感应电极是指X方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以及Y方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力。

电容式压力传感器按照矩阵式均匀的排列在水平工作台上，电容极板通过电路引线与传感器系统信号处理器连接，传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路，为了节省A/D变换电路，用一路A/D变换电路完成多路压力传感器的测量，多路信号高速切换电路和控制电路是系统的设计关键，切换速度影响到短暂的步行过程中测试到的数据量。本发明设计的采集电路同时对256路传感器进行信号切换。来自控制电路的控制系统经过本地整形后，分三级进行切换，第一级使用32个8路切换器并行工作，输出32路信号，32路信号进入第二级切换器，采用4个8路切换器并行工作，得到4路信号，这4路信号进入第三级切换器，得到1路信号，进入A/D变换电路。A/D变换电路在变换过程中将数据读入计算机中暂存，所有数据读取完成后保存在计算机中。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微小构件摩擦力测试装置，其特征在于，包括法向载荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，所述传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

2.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于，所述传感器阵列上设置了一层柔性薄膜，柔性薄膜与水平工作台固定。

3.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于,所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。

4.根据权利要求3所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

5.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于,所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。

6.根据权利要求5所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度，k为常数。

7.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立方式连接到传感系统信号处理器。

8.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

9.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

10.根据权利要求1所述的微小构件摩擦力测试装置，其特征在于,所述传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级切换电路，前一级切换电路的输出为下一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。