CN109668660A - 一种水平微纳力值发生装置及生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平微纳力值发生装置及生成方法，装置包括第一静电微纳力值发生装置、第二静电微纳力值发生装置、支撑结构和微纳力值输出端；方法包括：分别为支撑结构施加第一静电微纳力和第二静电微纳力，其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方向与第二静电微纳力的方向相反；支撑结构将所受的第一静电微纳力和第二静电微纳力的合力传递至微纳力值输出端；调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值。本发明利用了差减法的原理大幅降低了输入电源不稳定性和残余电容对输出的标准微纳力值的影响，精度高；同时能产生水平方向的微纳力值，适用性广。本发明可广泛应用于计量领域。

Description

一种水平微纳力值发生装置及生成方法

技术领域

本发明涉及计量领域，尤其是一种水平微纳力值发生装置及生成方法。

背景技术

微纳力值的测量和量值溯源广泛应用于微纳米量级的加工技术、微小力传感器技术、纳 米硬度测量、生物力学量测量、液体表面张力研究、微观摩擦现象的观测以及微型卫星、微 型间谍飞行器的姿态调整与定位等先进技术中，其测量的准确度是新材料、微电子、生物技 术以及航空航天技术等高端、高精度、新兴产业发展的关键问题。

但对于微纳力值的量值溯源研究仍处于初始阶段，目前各国并未形成统一的微纳力值量 值溯源方法与体系，因此造成当前使用的微纳力值传感器无法进行有效的量值溯源，无法保 证其测量的量值准确可靠。例如，在目前应用广泛的卫星微推力测量系统中，需要使用量值 准确可靠的水平微纳力值对其进行标定，并以此为基础对卫星上使用的微推进器性能进行测 试。目前研究人员虽已经采用了一些方法实现了微纳量级力值的量值溯源，但是目前的方法 仍存在以下缺点：

(1)目前其采用的静电力(或电磁力)发生装置，虽然可以生成微纳量级的标准力值， 但是需要提供高精度的电源装置，因为根据静电力(或电磁力)的生成原理，输入电源的不 稳定性将会对输出标准微纳力值产生直接影响。例如，对于静电力发生装置而言，输出微纳 静电力与输入电压为二次方的关系(F∝U²)，若输入电压发生波动，则输出标准微纳力值 也将受到严重影响。

(2)目前其采用静电力作为标准微纳力值的装置，由于残余电容的存在，每次卸载电压 后将在装置上留下部分残余电容，因此在重复使用过程中，残余电容将对输出标准微纳力值 产生影响，虽然留下的残余电容极小，但由于涉及的是微纳力值的测量，因此残余电容的影 响不可忽略，输出的标准微纳力值越小，残余电容的影响越大。

(3)目前对于微纳量级力值的溯源或测量主要集中在竖直方向，但在应用过程中许多时 候会涉及到水平方向微纳力值的溯源或测量，例如在MEMS微推进器性能测试等领域中就需 要对水平方向进行溯源或测量。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种精度高和适用性广的水平微纳力值 发生装置及生成方法。

本发明一方面所采取的技术方案是：

一种水平微纳力值发生装置，包括：

第一静电微纳力值发生装置，用于产生第一静电微纳力；

第二静电微纳力值发生装置，用于产生第二静电微纳力；

支撑结构，用于接收第一静电微纳力和第二静电微纳力，并传递第一静电微纳力和第二 静电微纳力的合力；

微纳力值输出端，用于根据第一静电微纳力和第二静电微纳力的合力输出标准的微纳力 值；

其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方向与第 二静电微纳力的方向相反；

所述支撑结构的末端与微纳力值输出端连接，所述第一静电微纳力值发生装置和第二静 电微纳力值发生装置分别安装在支撑结构的两侧。

进一步，还包括旋转结构，所述旋转结构与支撑结构的前端连接。

进一步，还包括固定装置，所述旋转结构安装在固定装置上。

进一步，所述第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置均为叉指结构静 电微纳力值发生器，所述叉指结构静电微纳力值发生器的两个极板间的结构为叉指状结构。

进一步所述叉指结构静电微纳力值发生器施加的电压可调，或者叉指结构静电微纳力值 发生器的叉指数量可调，或者叉指结构静电微纳力值发生器的叉指长度可调，或者叉指结构 静电微纳力值发生器的叉指间距可调。

本发明另一方面所采取的技术方案是：

一种水平微纳力值生成方法，包括以下步骤：

分别通过第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置为支撑结构施加第一 静电微纳力和第二静电微纳力，其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且 第一静电微纳力的方向与第二静电微纳力的方向相反；支撑结构将所受的第一静电微纳力和 第二静电微纳力的合力传递至微纳力值输出端；

调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值。

进一步，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一 步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置施加的电压值和/或第二静电微纳力值 发生装置施加的电压值，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空 气介电常数，U₁和U₂分别为第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置施加的 电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻 两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉 指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

进一步，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一 步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指数量和/或第二静电微纳力值发 生装置的叉指数量，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N₁和N₂分别是第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置中叉指的个 数，ε₀为空气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加 的电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相 邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的 叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

进一步，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一 步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指长度和/或第二静电微纳力值发 生装置的叉指长度，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空 气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g 是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指侧面 距离的一半，x₁和x₂分别为第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置的叉指 状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

进一步，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一 步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指间距和/或第二静电微纳力值发 生装置的叉指间距，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空 气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g₁和g₂分别为是第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相 邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的 叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

本发明的有益效果是：分别通过第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装 置为支撑结构施加第一静电微纳力和第二静电微纳力，只需调整第一静电微纳力和第二静电 微纳力这两个沿水平方向且方向相反的力的相对大小即可输出标准的水平方向微纳力值，利 用了差减法的原理大幅降低了输入电源不稳定性和残余电容对输出的标准微纳力值的影响， 精度高；同时能产生水平方向的微纳力值，也满足了人们对水平方向微纳力值的溯源或测量 要求，适用性广。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于电压值调整的水平微纳力值发生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转结构的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的叉指结构静电微纳力值发生器的结构参数示意图；

图4为本发明实施例提供的传统装置的残余电容影响曲线图；

图5为本发明实施例的基于叉指数量调整的水平微纳力值发生装置的结构示意图。

具体实施方式

参照图1或图5，本发明实施例提供了一种水平微纳力值发生装置，包括：

第一静电微纳力值发生装置4，用于产生第一静电微纳力；

第二静电微纳力值发生装置6，用于产生第二静电微纳力；

支撑结构3，用于接收第一静电微纳力和第二静电微纳力，并将所受的第一静电微纳力 和第二静电微纳力的合力传递给微纳力值输出端5；

微纳力值输出端5，用于根据第一静电微纳力和第二静电微纳力的合力向外界输出标准 的微纳力值；

其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方向与第 二静电微纳力的方向相反；

所述支撑结构3的末端与微纳力值输出端5连接，所述第一静电微纳力值发生装置4和 第二静电微纳力值发生装置6分别安装在支撑结构3的两侧。

具体地，本发明的支撑结构3可以采用图1或图5中形状的器件，但不限于图1或图5中的形状，也可采用其他支撑结构。

微纳力值输出端5，可以采用图1或图5中形状的结构，但不限于图1或图5中的形状。

由于第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方向与第二 静电微纳力的方向相反，故可基于差减法的原理通过第一静电微纳力与第二静电微纳力的相 减运算来对外界输出标准的微纳力值。

由上述的内容可见，本实施例的水平微纳力值发生装置只需调整第一静电微纳力和第二 静电微纳力这两个沿水平方向且方向相反的力的相对大小即可输出标准的水平方向微纳力 值，利用了差减法的原理大幅降低了输入电源不稳定性和残余电容对输出的标准微纳力值的 影响，精度高，结构简单，装置成本低；同时能产生水平方向的微纳力值，也满足了人们对 水平方向微纳力值的溯源或测量要求，适用性更广。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，还包括旋转结构2，所述旋转结构2与支撑结构3的前端连接。

具体地，旋转结构2，用于调整水平微纳力值发生装置的方向。旋转结构2可以采用图2 所示的可360°旋转的旋转盘，但不限于图2中的形状，也可采用其他旋转结构来实现。图2 所示的旋转盘可按箭头所示方向顺时针或逆时针旋转，从而实现本装置在水平面内任意方向 的标准微纳力值输出。

由上述的内容可见，本实施例增设了旋转结构2，能十分方便地调节水平微纳力值发生 装置的方向。

参照图1或图5，进一步作为优选的实施方式，还包括固定装置1，所述旋转结构2安装 在固定装置1上。

具体地，固定装置1起固定作用，增加了水平微纳力值发生装置的稳定性。固定装置1 可以采用图1或图5中形状的固定器件，但不限于图1或图5中的形状，也可采用其他固定 装置。

进一步作为优选的实施方式，所述第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生 装置均为叉指结构静电微纳力值发生器，所述叉指结构静电微纳力值发生器的两个极板间的 结构为叉指状结构。叉指状结构可以是叉指状电容器。

由上述内容可知，本实施例的第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置 可均为叉指结构静电微纳力值发生器，采用了叉指状结构的静电微纳力值发生器来作为微纳 力值的力源，大幅减小了位置测量误差与定位误差对输出微纳力值的影响，省去了高精度的 位置测量和定位辅助部件，简化了装置结构和成本，便于进行集成。

进一步作为优选的实施方式，所述叉指结构静电微纳力值发生器施加的电压可调，或者 叉指结构静电微纳力值发生器的叉指数量可调，或者叉指结构静电微纳力值发生器的叉指长 度可调，或者叉指结构静电微纳力值发生器的叉指间距可调。

由上述内容可知，本实施例的水平微纳力值发生装置可通过在双叉指结构静电微纳力值 发生器上施加不同的电压、叉指数量、叉指长度或叉指间距来实现输出水平方向的标准微纳 力值的目的，更加灵活和方便。

本发明实施例还提供了一种水平微纳力值生成方法，包括以下步骤：

分别通过第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置为支撑结构施加第一 静电微纳力和第二静电微纳力，其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且 第一静电微纳力的方向与第二静电微纳力的方向相反；支撑结构将所受的第一静电微纳力和 第二静电微纳力的合力传递至微纳力值输出端；

调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值。

具体地，由于第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方 向与第二静电微纳力的方向相反，故可基于差减法的原理通过第一静电微纳力与第二静电微 纳力的相减运算来对外界输出标准的微纳力值。

由上述的内容可见，本实施例的方法只需调整第一静电微纳力和第二静电微纳力这两个 沿水平方向且方向相反的力的相对大小即可输出标准的水平方向微纳力值，利用了差减法的 原理大幅降低了输入电源不稳定性和残余电容对输出的标准微纳力值的影响，精度高，操作 简单，装置成本低；同时能产生水平方向的微纳力值，也满足了人们对水平方向微纳力值的 溯源或测量要求，适用性更广。

进一步作为优选的实施方式，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出 标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置施加的电压值和/或第二静电微纳力值 发生装置施加的电压值，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空 气介电常数，U₁和U₂分别为第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置施加的 电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻 两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉 指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

具体地，基于如图1所示的双叉指状结构和控制变量法，可通过调整电压值的大小来调 整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值。在具体操作时，可同时 调整这两个静电微纳力值发生装置所施加的电压，也可以只调整这两个静电微纳力值发生装 置中任一个的电压。

当图1的装置加载电压U₁和U₂时，由于第一静电微纳力值发生装置4和第二静电微纳 力值发生装置6的尺寸结构相同，因此这两个静电微纳力值发生装置所产生的微纳静电力分 别为：

F₁和F₂方向相反，故此时该装置对外输出的力值(即标准的微纳力值)为：

上述公式(1)(2)(3)中各参数如图3所示。

从公式(3)可知，由于采用了控制变量法，除了电压U₁和U₂之外，其余参数均为已确定保持不变的参数，因此只需改变电压U₁和U₂即可改变对外输出的标准的微纳力值。

当加载电压由U变为U+ΔU时，对于传统叉指状电容式装置而言，其输出力值的变化 ΔF_传统为：

同理，当图1的装置的加载电压变化量也为ΔU时，此时第一静电微纳力值发生装置4 和第二静电微纳力值发生装置6上加载的电压分别为U₁+ΔU以及U₂+ΔU，此时图1的装置 输出的微纳静电力F_新′_新变为：

此时对应的输出微纳静电力变化ΔF_新为：

为了直观比较电压波动对输出微纳力值的影响，设未发生电压波动时，传统装置和图1 装置所输出的微纳力值相同，即：

F_传统＝F_新

由公式(7)可得：

由于U≥0、U₁≥0、U₂≥0，

因此由公式(8)可知：

0≤U₂<U₁ (9)

由此可得：U₁-U₂<U (10)

a)若ΔU≥0，则有：2U₁-2U₂<2U+ΔU

由此结合公式(4)和(6)可得：ΔF_新<ΔF_传统

b)若ΔU<0，由于ΔU为外部电压的波动，在正常情况下，外部电压波动值ΔU《U，ΔU《U₂，因此可知：代入公式(10)可得： 2U₁-2U₂<2U+ΔU

同理结合公式(4)和(6)可得：ΔF_新<ΔF_传统

由此可见，当采用图1改进的装置后，由于外部电压波动引起的输出微纳力值波动得到 有效降低。

传统的叉指状电容器能够生成微纳静电力，但是当电压卸载后，在叉指状电容器两极板 间由于残余电容的影响，仍会有极为微弱的静电力存在，这对于毫牛量级的力值测量结果影 响不大，但是在纳牛量级的微纳力值测量过程中，残余电容的影响则不可忽略，同时越是接 近零值的地方，残余电容的影响越大，如图4所示。图4中曲线A是第一次加载进程时(也 就是从零电压加载到电压为U时)输出的微纳力值随加载电压的变化而变化的曲线，曲线B 为电压卸载时(也就是电压从U降到零时)的曲线，由于残余电容的存在，当加载电压减小 到接近于零时，输出微纳力值并不会随之减小到零，而是由于残余电容的存在，残留一个极 小的输出力值。曲线C为第二次加载进程时，输出的微纳力值随加载电压的变化而变化的曲 线，由图4可见，由于残余电容的存在，在相同的加载电压时第二次加载较第一次加载，输 出的力值将有所增大，在输出力值较小的区域，这一增幅将对输出微纳力值的准确性产生极 大影响。

当采用本发明图1的装置后，由于第一静电微纳力值发生装置4和第二静电微纳力值发 生装置6的结构及尺寸相同，即使考虑到加工或装配误差，两者所产生的残余电容也几乎相 同，且第一静电微纳力值发生装置4和第二静电微纳力值发生装置6所产生的静电力正好方 向相反，因此可以抵消残余电容所产生的静电力的影响，大幅降低甚至完全消除残余电容所 生成静电力对输出标准微纳力值的影响，这对于装置输出准确可靠的纳牛级标准微纳力值具 有重要意义。

进一步作为优选的实施方式，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出 标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指数量和/或第二静电微纳力值发 生装置的叉指数量，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N₁和N₂分别是第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置中叉指的个 数，ε₀为空气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加 的电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相 邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的 叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

如图5所示，本发明还可以通过调整第一静电微纳力值发生装置的叉指数量和/或第二静 电微纳力值发生装置的叉指数量来调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，从而输出 标准的微纳力值。在具体操作时，可同时调整这两个静电微纳力值发生装置的叉指数量，也 可以只调整这两个静电微纳力值发生装置中任一个的叉指数量。

图5所示的装置的大体结构和前面图1的装置相同，主要区别在于：

(1)图5支撑结构两边的叉指结构叉指数量不同，这样可以根据叉指数量的不同来输出 极小的微纳力值，也可以有效避免残余电容的影响。

(2)图5的装置在两个叉指上加载的电压可以相同(也可以不同)，即便是加载电压相 同(即采用控制变量法)时，仍能输出极小的微纳力值，降低残余电容的影响。

图5的装置中第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置输出的微纳力值 可以由以下公式计算得到：

因为F₁和F₂方向相反，此时图5装置对外输出的力值为：

与图1的装置类似，由于两边的输出力值方向相反，因此图5的装置可以极大降低(或 消除)残余电容对输出微纳力值的影响。

与图1的装置相比，图5的装置只需提供一路加载电压(在采用控制变量法时)即可消 除影响，无需提供两路不同的加载电压。

进一步作为优选的实施方式，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出 标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指长度和/或第二静电微纳力值发 生装置的叉指长度，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空 气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g 是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指侧面 距离的一半，x₁和x₂分别为第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置的叉指 状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

具体地，与图5的装置类似，本发明还可以通过第一静电微纳力值发生装置的叉指长度 和/或第二静电微纳力值发生装置的叉指长度来调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大 小，从而输出标准的微纳力值，同样能减小或消除残余电容的影响。在具体操作时，可同时 调整这两个静电微纳力值发生装置的叉指长度，也可以只调整这两个静电微纳力值发生装置 中任一个的叉指长度。

进一步作为优选的实施方式，所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出 标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指间距和/或第二静电微纳力值发 生装置的叉指间距，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的 大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空 气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g₁和g₂分别为是第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相 邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的 叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

具体地，与图5的装置类似，本发明还可以通过第一静电微纳力值发生装置的叉指间距 和/或第二静电微纳力值发生装置的叉指间距来调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大 小，从而输出标准的微纳力值，同样能减小或消除残余电容的影响。在具体操作时，可同时 调整这两个静电微纳力值发生装置的叉指间距，也可以只调整这两个静电微纳力值发生装置 中任一个的叉指间距。

综上所述，本发明一种水平微纳力值发生装置及生成方法，具有以下优点：

(1)只需调整第一静电微纳力和第二静电微纳力这两个沿水平方向且方向相反的力的相 对大小即可输出标准的微纳力值，利用了差减法的原理大幅降低了输入电源不稳定性和残余 电容对输出的标准微纳力值的影响，精度高。

(2)能通过第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置产生水平方向的微 纳力值，解决了现有技术难以产生水平方向微纳力值的问题，适用性更广。

(3)第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置可采用叉指状结构的静电 微纳力值发生器，大幅减小了位置测量误差与定位误差对输出微纳力值的影响，省去了高精 度的位置测量和定位辅助部件，简化了装置结构和成本。

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)

1.一种水平微纳力值发生装置，其特征在于：包括：

第一静电微纳力值发生装置，用于产生第一静电微纳力；

第二静电微纳力值发生装置，用于产生第二静电微纳力；

支撑结构，用于接收第一静电微纳力和第二静电微纳力，并传递第一静电微纳力和第二静电微纳力的合力；

微纳力值输出端，用于根据第一静电微纳力和第二静电微纳力的合力输出标准的微纳力值；

其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方向与第二静电微纳力的方向相反；

所述支撑结构的末端与微纳力值输出端连接，所述第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置分别安装在支撑结构的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种水平微纳力值发生装置，其特征在于：还包括旋转结构，所述旋转结构与支撑结构的前端连接。

3.根据权利要求2所述的一种水平微纳力值发生装置，其特征在于：还包括固定装置，所述旋转结构安装在固定装置上。

4.根据权利要求1所述的一种水平微纳力值发生装置，其特征在于：所述第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置均为叉指结构静电微纳力值发生器，所述叉指结构静电微纳力值发生器的两个极板间的结构为叉指状结构。

5.根据权利要求4所述的一种水平微纳力值发生装置，其特征在于：所述叉指结构静电微纳力值发生器施加的电压可调，或者叉指结构静电微纳力值发生器的叉指数量可调，或者叉指结构静电微纳力值发生器的叉指长度可调，或者叉指结构静电微纳力值发生器的叉指间距可调。

6.一种水平微纳力值生成方法，其特征在于：包括以下步骤：

分别通过第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置为支撑结构施加第一静电微纳力和第二静电微纳力，其中，第一静电微纳力与第二静电微纳力均沿水平方向，且第一静电微纳力的方向与第二静电微纳力的方向相反；支撑结构将所受的第一静电微纳力和第二静电微纳力的合力传递至微纳力值输出端；

调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值。

7.根据权利要求6所述的一种水平微纳力值生成方法，其特征在于：所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置施加的电压值和/或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空气介电常数，U₁和U₂分别为第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

8.根据权利要求6所述的一种水平微纳力值生成方法，其特征在于：所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指数量和/或第二静电微纳力值发生装置的叉指数量，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的大小，N₁和N₂分别是第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

9.根据权利要求6所述的一种水平微纳力值生成方法，其特征在于：所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指长度和/或第二静电微纳力值发生装置的叉指长度，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指侧面距离的一半，x₁和x₂分别为第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。

10.根据权利要求6所述的一种水平微纳力值生成方法，其特征在于：所述调整第一静电微纳力和第二静电微纳力的大小，输出标准的微纳力值这一步骤，具体包括：

采用控制变量法调整第一静电微纳力值发生装置的叉指间距和/或第二静电微纳力值发生装置的叉指间距，从而得到标准的微纳力值，所述标准的微纳力值的表达式为：

其中，F、F₁和F₂分别为标准的微纳力值、第一静电微纳力的大小和第二静电微纳力的大小，N是第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置中叉指的个数，ε₀为空气介电常数，U为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置施加的电压值，g₁和g₂分别为是第一静电微纳力值发生装置和第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指侧面距离的一半，x为第一静电微纳力值发生装置或第二静电微纳力值发生装置的叉指状结构中相邻两叉指相交部分长度的一半；

通过微纳力值输出端输出标准的微纳力值。