CN107219026A - 一种多方向微纳力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多方向微纳力测量装置及测量方法，装置包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧；方法包括：获取弹性支撑机构的平衡位置；通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。本发明与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，可广泛应用于力测量领域。

Description

一种多方向微纳力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及力测量领域，尤其是一种多方向微纳力测量装置及测量方法。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，人类认识世界的能力已从宏观领域进入到微观领域，特别是近年来MEMS技术的兴起，对于极小力值物理量的测量已变得越来越重要。例如在微纳卫星中用于姿态控制的MEMS微推进器，其产生的微牛量级力值的准确性将直接影响微纳卫星的姿态控制精度；而在纳米压痕测量过程中施加的微牛到毫牛量级的力值精度直接决定着材料纳米硬度的计算结果。目前对于微纳量级力值的测量主要集中在竖直方向，但在应用过程中许多时候会涉及到非竖直方向微纳力值的测量，如在MEMS微推进器性能测试等领域中就需要对水平方向以及空间其他方向的微纳力值进行测量。目前的微纳牛顿量级力值的测量装置不能进行非竖直方向微纳力值的测量，满足不了人们对微纳牛顿量级力值测量的高要求，亟待进一步完善和提高。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能进行非竖直方向微纳力值测量的，多方向微纳力测量装置。

本发明的另一目的在于：提供一种能进行非竖直方向微纳力值测量的，多方向微纳力测量方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种多方向微纳力测量装置，包括：

加载机构，用于加载外界施加的被测微纳力值；

标准微纳力值发生装置，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；

弹性支撑机构，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；

位置测量装置，用于测量弹性支撑机构的位置变化；

所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。

进一步，还包括固定板，所述弹性支撑机构的前端固定在固定板上。

进一步，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。

进一步，所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。

本发明所采取的另一技术方案是：

一种多方向微纳力测量方法，包括以下步骤：

获取弹性支撑机构的平衡位置；

通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；

调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；

根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。

进一步，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：

从0开始逐渐增大标准微纳力值发生装置的静电力大小，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的静电力大小。

进一步，所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：

分别获取从弹性支撑机构固定点到标准微纳力值发生装置中心的距离l₁以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；

根据弹性支撑机构恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小F_in、距离l₁和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：F＝F_in×l₁/l。

进一步，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置。

进一步，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：

从0开始逐渐增大叉指状电容装置的加载电压值，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的加载电压值。

进一步，所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：

分别获取从弹性支撑机构固定点到叉指状电容装置中心的距离l₁以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；根据恢复平衡位置时叉指状电容装置的加载电压值U、距离l₁和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：其中，N是叉指状电容装置中叉指的总个数，ε₀为空气介电常数，g是叉指状电容装置中相邻两叉指侧面距离的一半，x₀为叉指状电容装置中相邻两叉指相交部分长度的一半。

本发明的装置的有益效果是：包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，基于弹性支撑机构上的标准微纳力值与被测微纳力值相平衡原理测量出外界施加的微纳力值，与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，克服了现有技术不能进行非竖直方向微纳力值测量的缺陷，满足了人们对空间非竖直方向微纳量级力值测量的高要求。进一步，标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，采用了叉指状电容装置作为微纳力值的标准力源，简化了测量结构，降低了测量成本，便于进行集成。

本发明的方法的有益效果是：包括获取弹性支撑机构的平衡位置，通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，调整标准微纳力值发生装置的静电力大小以及根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值的步骤，采用了静电力与被测微纳力值平衡的测量方法来测量出被测微纳力值，与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，克服了现有技术不能进行非竖直方向微纳力值测量的缺陷，满足了人们对空间非竖直方向微纳量级力值测量的高要求。进一步，标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，采用了叉指状电容装置作为微纳力值的标准力源，简化了测量结构，降低了测量成本，便于进行集成。

附图说明

图1为本发明的多方向微纳力测量装置进行空间任意方向微纳力测量时的结构示意图；

图2为本发明的多方向微纳力测量装置进行水平方向微纳力测量时的结构示意图；

图3为图2的受力示意图；

图4为图2的受力形变示意图；

图5为本发明叉指状电容装置的结构参数示意图；

图6为叉指状电容装置输出力值与叉指间距的关系图。

具体实施方式

参照图1，一种多方向微纳力测量装置，包括：

加载机构4，用于加载外界施加的被测微纳力值；

标准微纳力值发生装置2，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；

弹性支撑机构1，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；

位置测量装置3，用于测量弹性支撑机构的位置变化；

所述弹性支撑机构1的末端与位置测量装置3连接，所述标准微纳力值发生装置2和加载机构4分别安装在弹性支撑机构1的两侧。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括固定板5，所述弹性支撑机构1的前端固定在固定板5上。

其中，弹性支撑机构1的前端通过固定板5进行固定，本发明把弹性支撑机构1与固定板5相接触的点称为弹性支撑机构固定点。

进一步作为优选的实施方式，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。

进一步作为优选的实施方式，所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。

一种多方向微纳力测量方法，包括以下步骤：

获取弹性支撑机构的平衡位置；

通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；

调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；

根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。

进一步作为优选的实施方式，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：

从0开始逐渐增大标准微纳力值发生装置的静电力大小，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的静电力大小。

进一步作为优选的实施方式，所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：

分别获取从弹性支撑机构固定点到标准微纳力值发生装置中心的距离l₁以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；

根据弹性支撑机构恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小F_in、距离l₁和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：F＝F_in×l₁/l。

进一步作为优选的实施方式，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置。

进一步作为优选的实施方式，所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：

从0开始逐渐增大叉指状电容装置的加载电压值，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的加载电压值。

进一步作为优选的实施方式，所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：

分别获取从弹性支撑机构固定点到叉指状电容装置中心的距离l₁以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；

根据恢复平衡位置时叉指状电容装置的加载电压值U、距离l₁和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：其中，N是叉指状电容装置中叉指的总个数，ε₀为空气介电常数，g是叉指状电容装置中相邻两叉指侧面距离的一半，x₀为叉指状电容装置中相邻两叉指相交部分长度的一半。

本发明采用了标准微纳力装置的标准微纳力与外界施加的微纳力平衡的原理对外界施加的微纳力进行测量，解决了空间各个方向微纳力的测量问题；同时这一原理的采用，使得本发明在微纳力测量过程中无需测量弹性体的具体形变值，从而简化了辅助测量装置，消除了弹性体蠕变对测量结果的影响。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例1

参照图2、3、4和5，本发明的第一实施例：

以本发明在进行水平方向微纳力测量时的测量装置为例，该测量装置主要由五部分组成，1为弹性支撑机构，主要用于接收外界施加的微纳力值和标准微纳力值并发生微小形变；2为标准微纳力值发生装置，主要作为产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值力源；3为位置测量装置，主要用于确定弹性支撑机构1的位置变化；4为加载机构，用于被测微纳力值的加载；5为固定板，用于固定弹性支撑机构的前端。

其中，本发明的弹性支撑机构1可以采用图2形状的弹性器件，但不限于图2中的形状，也采用其他弹性支撑结构。

位置测量装置3，可采用电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或其他光学辅助测量设备等。

本发明的微纳力测量装置利用微纳力值与静电力平衡的原理对加载在弹性支撑机构上的微纳力值进行测量。

以标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置为例，设微纳力测量装置未受到外力作用时，弹性支撑机构1处于平衡位置(如图2和3所示)。当外界对加载机构4施加微纳力值F时，与加载机构4相连接的弹性支撑机构1将发生微小变形(其位置如图4的虚线所示)。同时安装在弹性支撑机构1末端的位置测量装置3测试到弹性支撑机构1偏离平衡位置，此时在标准微纳力值发生装置2的两端施加电压，使标准微纳力值发生装置2产生相互吸引的微纳力值F_in。而标准微纳力值发生装置2产生的微纳力值的作用，将使得弹性支撑机构1逐渐向平衡位置移动。逐步增大施加在标准微纳力值发生装置2两端的电压，使标准微纳力值发生装2产生的微纳力值逐渐增大，弹性支撑机构1将不断向平衡位置移动，直至位置测量装置3检测到弹性支撑机构1已经完全恢复到平衡位置，此时表明弹性支撑机构1上的受力平衡，即弹性支撑机构1上所受到的外界施加的微纳力与标准微纳力发生装置2所产生的微纳力平衡。

根据力的平衡原理，有：

F_in×l₁＝F×l (1)

可以得到外界施加的微纳力F为：

F＝F_in×l₁/l (2)

而标准微纳力值发生装置2产生的标准微纳力F_in可以根据加载电压U和叉指状电容装置的结构参数计算得到，如下式所示：

公式(3)中各参数如图5所示，N是叉指状电容装置中叉指的总个数，ε₀为空气介电常数，g是叉指状电容装置中相邻两叉指侧面距离的一半，x₀为叉指状电容装置中相邻两叉指相交部分长度的一半。

根据式(1)(2)(3)可得外界施加的微纳力F为：

公式(4)中除加载电压U之外，其余参数均为叉指状电容装置设计加工或封装过程中已确定的参数，因此只需测量加载在叉指状电容装置两端的电压U即可得到弹性支撑机构所受到的外界加载微纳力。

实施例2

参照图1、5和6，本发明的第二实施例：

本发明的微纳力测量装置在测量空间任意方向的微纳力时，其工作原理如图1所示。

以标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置为例，由于微纳力测量装置自身重量的存在，将导致弹性支撑机构1发生微小形变，其位置由位置A变为位置B。同时弹性支承结构1的微小形变使得标准静电微纳力发生装置2两叉指间的位置发生微小变化。此时，本发明微纳力测量装置的初始平衡位置即为弹性支撑机构1发生微小形变的位置(如图1中虚线B所示)，也就是说，当微纳力测量装置未受到外力作用时，弹性支撑机构1处于如图1虚线B所示的平衡位置。

当外界对加载机构4施加微纳力值F时，与加载机构4相连接的弹性支撑机构1将发生微小变形。同时安装在弹性支撑机构1末端的位置测量装置3测试到弹性支撑机构1偏离如图1中虚线B所示的平衡位置，直到弹性支撑机构1的位置偏移至C处(如图1中虚线C所示)。此时在标准微纳力值发生装置2两端施加电压，使标准微纳力值发生装置2产生相互吸引的微纳力值F_in。而标准微纳力值发生装置2产生的微纳力值的作用，将使得弹性支撑机构1逐渐向平衡位置移动。逐步增大施加在标准微纳力值发生装置2两端的电压，使标准微纳力值发生装2产生的微纳力值逐渐增大，弹性支撑机构1将不断向平衡位置移动，直至位置测量装置3检测到弹性支撑机构1已经完全恢复到平衡位置，此时表明弹性支撑机构1上的受力平衡，即弹性支撑机构1上所受到的外界施加的微纳力与标准微纳力发生装置2所产生的微纳力平衡。此时外界施加的微纳力仍可根据实施例1的公式(4)计算得到。

微纳力测量装置的自重较小，因此其导致弹性支撑机构1的位置偏移量也极小，使得标准静电微纳力发生装置2两叉指间的位置变化量也极小。同时由于本发明采用了叉指状的标准静电力装置，根据该装置的结构特点，即使装置中叉指间距发生较大变化时，其仍能够保持较好的输出结果，也就是说装置叉指间距发生改变对于装置输出静电力的影响极小。

图6为标准静电微纳力发生装置采用叉指状电容装置时，其输出力值与叉指间距的关系曲线图。其中，线型图(即x₀对应的图)表示当叉指间交叉距离x₀分别为4mm，5mm，6mm时，输出微小力值的理论计算值；点状图(即Exp.x₀对应的图)为叉指间距离x₀分别为4mm，5mm，6mm时，输出微小力值的实验值。

由图6可见，当叉指间距发生变化时，其输出微纳力值的变化较小，而在实际应用中由于装置自重产生的标准微纳力发生装置2两叉指间的位置变化量要远小于图6中的距离变化量，因此可以认为标准微纳力发生装置2的输出静电力几乎不受影响，这也是本微纳力测量装置选用该形状的电容装置作为标准微纳力源的主要原因。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)基于弹性支撑机构上的标准微纳力值与被测微纳力值相平衡原理，实现了各方向施加的微纳力测量，解决了非竖直方向微纳力测量的问题。目前大多数微纳力值测量装置均只能在竖直方向上进行测量，严重阻碍了微纳力值的应用，而采用本发明的装置可以实现对空间各方向所受的微纳力进行测量。

(2)直接利用弹性支撑机构上力的平衡原理进行测量，不涉及摩擦力的作用，解决了现有微纳力测量易受摩擦力影响的问题，完全消除了摩擦力对微纳力值测量过程的影响。

(3)采用了叉指状电容装置作为微纳力值的标准力源，该标准力源装置产生的微纳力值标准力源的精度只取决于其叉指的加工精度和安装精度以及电压的加载精度，极大地简化了现有微纳力值测量过程中对于超高精度辅助测量设备的高要求(如激光干涉仪、高精度位移控制平台等)，大大简化了测量装置的结构，降低了测量装置的成本，便于进行集成。

(4)包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，结构简单，便于实现小型化和便携化，解决了目前微纳力测量装置结构复杂的问题。本发明的测量装置所涉及的结构较少，同时不涉及复杂几何结构的加工，因此结构简单，便于加工封装，同时由于本发明的测量装置不涉及其他大型辅助设备，因此便于小型化、微型化和便携化。

(5)采用了静电力与被测力值平衡的测量方法，将力学量的测量转化为电学量的测量，可将微纳力值测量的力学测量值溯源至电学量或者质量，解决了微纳力值测量过程中其自身测量值溯源的问题。

(6)不涉及弹性支撑机构形变数值的测量，因此完全消除了弹性体蠕变对于测量结果的影响，长期稳定性较好。目前的各种微纳力值测量装置一般通过弹性体形变值与外界施加微纳力的函数关系进行测量，由于弹性体不可避免地存在蠕变，导致其在测量过程中由于弹性体自身蠕变的影响而导致测量结果的误差较大，使装置的长期稳定性较差。而本发明采用的位置测量装置只需测量弹性体在测量过程中是否复原，因此不存在弹性体蠕变对于测量结果的影响，长期稳定性较好。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：包括：

加载机构，用于加载外界施加的被测微纳力值；

标准微纳力值发生装置，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；

弹性支撑机构，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；

位置测量装置，用于测量弹性支撑机构的位置变化；

所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：还包括固定板，所述弹性支撑机构的前端固定在固定板上。

3.根据权利要求1所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。

5.一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取弹性支撑机构的平衡位置；

通过加载机构为弹性支撑机构施加被测微纳力值，使弹性支撑机构偏离平衡位置；

调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置；

根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值。

6.根据权利要求5所述的一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，

其具体为：

从0开始逐渐增大标准微纳力值发生装置的静电力大小，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的静电力大小。

7.根据权利要求5所述的一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：

分别获取从弹性支撑机构固定点到标准微纳力值发生装置中心的距离l₁以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；

根据弹性支撑机构恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小F_in、距离l₁和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：F＝F_in×l₁/l。

8.根据权利要求5、6或7所述的一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置。

9.根据权利要求8所述的一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：所述调整标准微纳力值发生装置的静电力大小，使得弹性支撑机构从偏离平衡位置恢复平衡位置这一步骤，其具体为：

从0开始逐渐增大叉指状电容装置的加载电压值，直至弹性支撑机构恢复平衡位置为止，并记录弹性支撑机构恢复平衡位置时的加载电压值。

10.根据权利要求9所述的一种多方向微纳力测量方法，其特征在于：所述根据恢复平衡位置时标准微纳力值发生装置的静电力大小计算被测微纳力值这一步骤，其包括：

分别获取从弹性支撑机构固定点到叉指状电容装置中心的距离l₁以及从弹性支撑机构固定点到加载机构的距离l，所述弹性支撑机构固定点为弹性支撑机构与固定板相接触的点；

根据恢复平衡位置时叉指状电容装置的加载电压值U、距离l₁和距离l计算被测微纳力值F，所述被测微纳力值F的计算公式为：其中，N是叉指状电容装置中叉指的总个数，ε₀为空气介电常数，g是叉指状电容装置中相邻两叉指侧面距离的一半，x₀为叉指状电容装置中相邻两叉指相交部分长度的一半。