CN111220309B - 一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法，所述装置包括上基板、下基板、微纳力源阵列、弹性支撑结构、以及输出所述微纳力源阵列产生的标准微纳力值的输出探针；所述上基板通过所述弹性支撑结构与所述下基板连接，所述微纳力源阵列布设于所述上基板与所述下基板之间；所述微纳力源阵列包括若干个阵列模块，每一所述阵列模块由一组叉指电容构成，每一组所述叉指电容设于所述上基板与所述下基板之间；且每一所述阵列模块分别与电源相连接。本发明通过改进传统电容式微纳力源装置的结构，能够实现在低电压下输出宽量程、高精度微纳力值的力源。

Description

一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及新一代信息技术中的微纳力测量领域，尤其是涉及一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法。

背景技术

随着新一代信息技术装备的不断微型化、集成化发展，在新一代信息技术装备中MEMS器件与微纳加工技术的应用日益广泛，在MEMS技术与微纳加工中，微纳力的测量变得越来越普遍，微纳力测量的准确性和可靠性将直接影响微纳米加工技术的水平与大量MEMS器件的性能，同时微纳加工技术(如光刻技术等)本身也已成为新一代信息技术装备创新中的重要方向，因此微纳力的准确测量对提升新一代信息技术装备的性能与技术创新具有重要意义。如在WMD(一种分配配置光波的技术)网络系统采用的MEMS光学开关部件的主要功能部件—微镜片在装配过程中需要施加一个微纳牛量级的装配力，但该微镜片在所受微纳力超过一定的量值时即发生破碎，因此保证所施加的微纳力的准确可靠，是实现微镜片装配过程顺利进行的关键所在。又比如在LIGA技术(一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术)中涉及到大量的微纳部件的制造与装配，其中大量涉及到微纳牛量级力反馈控制过程，微纳力测量结果的准确可靠是实现微纳加工技术以及MEMS部件自动化的前提与保障。

在微纳力测量装置中，核心部件为产生微纳牛顿量级力值的力源装置，根据不同测量装置所采用的力源形式的不同可以分为电容式测量装置、电感式测量装置、电阻式测量装置等。目前对于微纳牛顿量级的力的测量和量值溯源装置主要采用的均为电容式测量装置，如美国NIST、英国NPL、德国PTB、中国计量科学研究院(NIM)等研究机构在微纳力测量装置中均是采用电容式力源实现对微纳力的测量。其基本原理是利用微纳力测量装置中电容式力源生成的静电力与待测微纳力之间的平衡来实现力的测量。通过控制电容式力源两极板之间的加载电压，从而改变微纳力测量装置中力源输出的微纳牛顿量级的静电力使其与待测微纳力达到平衡，根据力的平衡原理，待测微纳力与测量装置中力源输出的微纳力大小相等、方向相反、且作用于同一条直线上，此时根据微纳力测量装置中力源输出的平衡静电力的大小即可得到待测力值。

电容式微纳力测量装置中力源所产生的微纳静电力计算公式为：

由该公式可知，可通过改变微纳力测量装置中力源的电容梯度或者改变加载电压来改变力源输出的微纳牛量级静电力大小。由于改变微纳力测量装置中力源的电容梯度比较难于准确测量和控制，因此在实际应用过程中一般通过改变装置的加载电压来改变测量装置中力源的输出微纳力值。现有的微纳力测量装置中的力源具有如下的缺点：

(1)虽然改变装置的加载电压比较容易实现，但是为了增加测量装置的测量范围(量程)，对应的测量装置中力源的输出范围也应增大，而为了使装置中力源获得较大的输出微纳静电力需要较高的加载电压(许多时候为扩大测量量程加载电压需要达到2000V以上)，而当加载电压过高时装置中力源的电容极板间很容易发生静电放电现象，造成微纳力测量装置核心部件的击穿；

(2)获得稳定的高电压需要庞大的辅助装置，同时直流高电压输入的稳定性本身也难以保证，若直流高压稳定性无法保证，则微纳力测量装置力源输出的微纳力值准确度与稳定性很难保证，从而直接影响到微纳力测量装置的测量准确度与稳定性；

(3)即使配备了高精度的高压直流稳压电源，根据上述公式可知力源的输出范围仍受到限制，使微纳力测量装置的测量范围较窄，不利于装置推广应用；

(4)根据上述公式，由于微纳力测量装置力源的输出微纳力值与加载电压的平方成正比，因此若要精确的改变力源的输出微纳力值，则需要实现对加载电压的精确调节与控制，需要配备高精度的直流稳压电源调节控制装置，极大地增加了微纳力测量装置成本。

发明内容

本发明实施例提供一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法，以解决上述技术问题，能够使微纳力测量装置在低电压下获得宽量程、高精度的微纳力源，在提高微纳力测量装置量程的同时，保证了微纳力测量装置测量结果的准确性与稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于微纳力测量的力源装置，包括上基板、下基板、微纳力源阵列、弹性支撑结构、以及输出所述微纳力源阵列产生的标准微纳力值的输出探针；

所述上基板通过所述弹性支撑结构与所述下基板连接，所述微纳力源阵列布设于所述上基板与所述下基板之间；

所述微纳力源阵列包括若干个阵列模块，每一所述阵列模块由一组叉指电容构成，每一组所述叉指电容设于所述上基板与所述下基板之间；且每一所述阵列模块分别与电源相连接。

作为优选方案，所述用于微纳力测量的力源装置还包括控制系统，所述用于微纳力测量的力源装置还包括控制系统，所述电源为外接电源；每一所述阵列模块通过所述控制系统分别与所述外接电源电连接，所述控制系统用于根据预设输出力值选择对应的阵列模块接通电源，以使所述微纳力源阵列产生与所述预设输出力值相对应的标准微纳力值。

作为优选方案，所述微纳力源阵列具有多列所述阵列模块，每一列所述阵列模块组成一组阵列模块组，同一组阵列模块组的阵列模块输出的微纳力值为同一数量级，且不同阵列模块组的阵列模块输出的微纳力值为不同数量级。

作为优选方案，每一所述阵列模块组均包括5个阵列模块，且同一组的5个阵列模块输出的微纳力值的比为1:1:2:2:5。

作为优选方案，每一所述阵列模块组中的阵列模块为按照输出微纳力值的比呈中心对称位置排列为1:2:5:2:1。

作为优选方案，所述的用于微纳力测量的力源装置还包括底板，所述下基板支撑在所述底板上。

作为优选方案，所述上基板及所述下基板均为四层结构基板，所述四层结构基板依次由上绝缘层、电路层、下绝缘层、基底层连接而成；所述上绝缘层和所述下绝缘层均用于将每一所述阵列模块进行固定并相互绝缘；所述电路层用于将每一所述阵列模块分别与所述电源相连接。

另一方面，本发明还提供了一种用于微纳力测量的力源装置的实现方法，包括：

通过控制系统接收用户输入的微纳力需求指令；

根据微纳力源阵列的阵列模块固有参数对所述微纳力需求指令进行分析，得到微纳力值分解结果；

根据所述微纳力值分解结果将相应的阵列模块接通电源，以使所述微纳力源阵列产生与用户需求相对应的标准微纳力值，并通过输出探针将所述标准微纳力值进行输出。

相比于现有技术，本发明提供了一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法，其任一实施例的有益效果在于：

(1)通过改进传统电容式用于微纳力测量的力源装置的结构，能够实现在低电压下获得宽量程的标准微纳力源；

(2)所述用于微纳力测量的力源装置可以在较低的电压下实现标准微纳力的输出，且采用了叉指电容阵列模块，因此可以通过增加模块阵列的方法来增加装置的微纳力输出范围；

(3)所述用于微纳力测量的力源装置通过若干个阵列模块输出不同微纳力值，实现了在电压不变的条件下，输出不同的微纳力值；无需用到电压调节装置、变压器等辅助装置，一方面提高了装置输出微纳力的准确性与稳定性，另一方面，由于无需用到辅助装置，因此本发明实施例的所述用于微纳力测量的力源装置具有极高的适用性，便于集成化、小型化和便携化，即便是在芯片量级仍可采用所述用于微纳力测量的力源装置所使用的方法生成宽量程的标准微纳力值；

(4)所述用于微纳力测量的力源装置所生成的微纳力源具有较其他装置更好的稳定性；一方面，由于在常规或低电压下某一电压值的稳压电源的获得较为容易，因此可以获得极高的输入电压精度与输入电压的稳定性，保障了装置输出微纳力值的准确度与稳定性；另一方面，由于微纳力源阵列模块采用叉指状电容结构，由于叉指状电容结构的输出微纳力值对叉指相交长度的变化不敏感，即叉指相交长度有微小变化时，输出微纳力值仍能够保持稳定，因此在装置工作过程中，即使弹性支承结构发生微小变形，导致阵列模块中的叉指电容叉指相交长度发生一定变化时，其输出微纳力值仍然稳定，因此使得装置具有极高的输出稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的用于微纳力测量的力源装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的上基板、下基板的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的微纳力源阵列的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的微纳力源阵列的分布示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明实施例提供了一种用于微纳力测量的力源装置，包括上基板1、下基板2、微纳力源阵列3、弹性支撑结构4、以及输出所述微纳力源阵列3产生的标准微纳力值的输出探针5；

所述上基板1通过所述弹性支撑结构4与所述下基板2连接，所述微纳力源阵列3布设于所述上基板1与所述下基板2之间；

所述微纳力源阵列3包括若干个阵列模块，每一所述阵列模块由一组叉指电容构成，每一组所述叉指电容设于所述上基板1与所述下基板2之间；且每一所述阵列模块分别与电源相连接。

需要说明的是，本发明实施例提供的用于微纳力测量的力源装置主要由上基板1、下基板2、微纳力源阵列3、弹性支撑结构4和输出探针5组成。其中，弹性支撑结构4负责支撑整个装置；上下基板间附有微纳力源阵列3；输出探针5负责将微纳力源阵列3所产生的标准微纳力值输出。

请参见图3，在本发明实施例的一种可行设计中，所述微纳力源阵列3由若干个阵列模块组成；上下基板上分布的微纳力源阵列3由若干叉指电容组成，每组叉指电容形成一个阵列模块。每个阵列模块可以由上下基板中的电路层，通过布线或印刷电路的方式向每个阵列模块单独供电，并与装置的电源相连接，形成具有一定输出值的微纳力源。

在本发明实施例中，作为优选方案，所述用于微纳力测量的力源装置还包括控制系统，所述电源为外接电源；每一所述阵列模块通过所述控制系统分别与所述外接电源电连接，所述控制系统用于根据预设输出力值选择对应的阵列模块接通电源，以使所述微纳力源阵列产生与所述预设输出力值相对应的标准微纳力值。

可以理解的是，每一阵列模块可以分别连接外接电源，当需要输出某一力值的微纳力时，可以通过手动控制接通对应的阵列模块，以产生对应的微纳力值。作为优选方案，也可以通过控制系统自动实现，控制系统通过接收用户输入的力值需求值进行自动分析计算，得到对应的阵列模块控制方案，继而自动接通对应的阵列模块，实现对应微纳力值的输出。

作为优选方案，所述上基板1及所述下基板2均为四层结构基板，所述四层结构基板依次由上绝缘层、电路层、下绝缘层、基底层连接而成；所述上绝缘层和所述下绝缘层均用于将每一所述阵列模块进行固定并相互绝缘；所述电路层用于将每一所述阵列模块分别与所述电源相连接。

请参见图2，为了使得结构合理化，作为优选设计，上基板1、下基板2均具有四层，最上层为绝缘层，保证各个阵列模块之间的绝缘；第二层为电路层，通过布线或印刷电路的方式向每个阵列模块单独供电，并与装置的外接电相连通；第三层为下绝缘层，与上绝缘层功能一样，也是保证各个阵列模块之间的绝缘，同时保证各个阵列模块与基底层的绝缘；基底层起连接作用，负责将基板与装置其他结构连接为一体。上下绝缘层和电路层可以很薄，如上下绝缘层可以为一层绝缘涂层，电路层可以为厚度极小的印刷电路。

在本发明实施例中，作为优选方案，所述微纳力源阵列3具有多列所述阵列模块，每一列所述阵列模块组成一组阵列模块组，同一组阵列模块组的阵列模块输出的微纳力值为同一数量级，且不同阵列模块组的阵列模块输出的微纳力值为不同数量级。

可以理解的是，在设计过程中可根据需要设置一列或多列阵列模块，并使每一列的阵列模块具有不同数量级的输出力值，能够对应产生不同数量级的微纳力值。

作为优选方案，每一所述阵列模块组均包括5个阵列模块，且同一组的5个阵列模块输出的微纳力值的比为1:1:2:2:5。

作为优选方案，每一所述阵列模块组中的阵列模块为按照输出微纳力值的比呈中心对称位置排列为1:2:5:2:1。

作为优选方案，所述的用于微纳力测量的力源装置还包括底板，所述下基板2支撑在所述底板上，所述底板用于将所述装置固定于外接平面上。

基于上述方案，为便于更好的理解本发明实施例提供的用于微纳力测量的力源装置及其实现方法，以下进行详细说明：

每个阵列模块的叉指电容满足一定的参数条件(c＝d＝g)，其输出微纳力值可由以下公式计算：

N为叉指极板的叉指个数，ε₀为空气介电常数，U为加载电压，x₀为叉指的相交长度的一半，g为叉指间距的一半，c、d分别为一个叉指的高度和宽度的一半(如图3所示)。

如图4所示，每一同一量级的阵列模块组成一列(如微牛量级组成一列，0.1微牛量级组成一列)，每一列所输出的微纳力值为同一数量级，不同列之间相差一个数量级。同时每一列的输出微纳力值包含1、2、5几个数值(如第1列为微牛量级，则包含1微牛、2微牛、5微牛；第二列为0.1微牛量级，则包含0.1微牛、0.2微牛、0.5微牛)。在设计过程中可根据装置需要设置一列或多列阵列模块(如果需要输出范围为0.01微牛～100微牛，则可以设置为0.01微牛列、0.1微牛列、1微牛列、10微牛列，共4列阵列模块)。如图4所示。同一列中的阵列模块呈对称位置排列，即同一阵列中的阵列模块的分布按照1、2、5、2、1的数值呈中心对称分布。

需要说明的是，根据上述微纳力值计算公式，可以推出在加载电压为某一低压额定电压下时(如5V，12V或220V等)，输出整数微纳力值时(如1微牛、2微牛、5微牛或者0.1微牛、0.2微牛、0.5微牛)，其结构参数的要求(如可以改变每个阵列模块的叉指的宽度或者高度来改变每个阵列模块的输出微纳力值，以满足每个阵列模块的输出力值要求)。

在具体实施过程中，控制系统可以由具有简单控制功能的电路实现(如采用单片机等实现数据的接受、分解和输出控制)，其具体控制原理如下：

根据用户的需求，需要用于微纳力测量的力源装置输出的某一具体的微纳力值时，控制系统根据所需输出力值进行分析，将每一量级的力值分解为通过1、2、5组合而成的量(如1、2和5分别有对应的阵列模块，无需分解；3分解为1+2；4分解为2+2；6可分解为1+5；7分解为5+2；8分解为5+1+2；9分解为5+2+2；在实际执行过程中可以按照以上方案对1～9的数值执行或分解执行)；

同时接通相对应的阵列模块，此时则可输出相对应的微纳力值；

同时在控制系统中，为更好地保持输出微纳力值的稳定性，在控制系统接通阵列模块时，尽量选择对称的阵列模块接通。如输出值为4时，则接通呈对称状的两个2，以消除偏载对输出微纳力的影响。

作为示例性的，当用于微纳力测量的力源装置工作时，如需要输出12.7微牛，则通过10微牛量级阵列接通10微牛阵列模块、通过1微牛量级阵列接通2微牛阵列模块、通过0.1微牛阵列接通0.2微牛和0.5微牛阵列模块。此时基板上的整个微纳力源阵列3输出微纳力值的合力为12.7微牛，同时通过输出探针5将该标准微纳力值输出。由于阵列模块采用叉指状电容结构，由于叉指状电容结构的输出微纳力值对叉指相交长度的变化不敏感，即叉指相交长度有微小变化时，输出微纳力值仍能够保持稳定，因此在装置工作过程中，即使弹性支承结构发生微小变形，导致阵列模块中的叉指电容叉指相交长度发生一定变化时，其输出微纳力值仍然稳定，因此使得装置具有极高的输出稳定性。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下有益效果：

(1)本发明实施例的装置可以在较低的电压下实现标准微纳力的输出，由于采用了叉指电容阵列模块，因此可以通过增加模块阵列的方法来增加装置的微纳力输出范围(例如如果要输出0.1微牛～1000微牛的微纳力，可设置0.1微牛量级、1微牛量级、10微牛量级、100微牛量级的阵列来实现)，具有极高的灵活性和适用性，对扩大微纳力测量装置的量程具有重要意义，对微纳力测量装置的推广与应用也具有重要意义。

(2)本装置通过该阵列结构中不同模块输出不同微纳力值的设计与控制，实现了在电压不变的条件下，输出不同的微纳力值。无需电压调节装置、变压器等辅助装置也能输出不同的微纳力值，由于无需辅助装置，一方面提高了装置输出微纳力的准确性与稳定性(由于电压调节装置或变压器在进行电压调节过程中将影响输入电压的准确性和稳定性从而影响到装置输出微纳力值的准确性和稳定性)；另一方面，由于无需辅助装置，因此本发明装置具有极高的适用性，便于集成化、小型化和便携化，即便是在芯片量级仍可采用本专利所使用的方法生成宽量程的标准微纳力值。为微纳力测量装置集成化、便携化提供了保障。

(3)本装置所生成的微纳力源具有较其他装置更好的稳定性。一方面，由于在低电压或常压下某一电压值(如5V、12V、220V)的稳压电源的获得较为容易(如获得5V、12V、220V等某一点的稳定电压值比获得0～5V、0～12V、0～220V等范围内任意一点的稳定电压值要容易得多，因此获得某一点的稳定电压的准确度也要比获得某一范围稳定电压的准确度高得多。)，因此可以获得极高的输入电压精度与输入电压的稳定性，保障了装置输出微纳力值的准确度与稳定性；另一方面，由于阵列模块采用叉指状电容结构，由于叉指状电容结构的输出微纳力值对叉指相交长度的变化不敏感，即叉指相交长度有微小变化时，输出微纳力值仍能够保持稳定，因此在装置工作过程中，即使弹性支承结构发生微小变形，导致阵列模块中的叉指电容叉指相交长度发生一定变化时，其输出微纳力值仍然稳定，因此使得装置具有极高的输出稳定性。极大地提高了微纳力测量装置测量结果的准确性与稳定性。

另一方面，本发明还提供了一种用于微纳力测量的力源装置的实现方法，包括：

通过控制系统接收用户输入的微纳力需求指令；

根据微纳力源阵列3的阵列模块固有参数对所述微纳力需求指令进行分析，得到微纳力值分解结果；

根据所述微纳力值分解结果将相应的阵列模块接通电源，以使所述微纳力源阵列3产生与用户需求相对应的标准微纳力值，并通过输出探针5将所述标准微纳力值进行输出。

需要说明的是，本实施例中的用于微纳力测量的力源装置的实现方法，可以通过上一实施例的用于微纳力测量的力源装置进行实现。

其中，所述用于微纳力测量的力源装置如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于微纳力测量的力源装置，其特征在于，包括上基板、下基板、微纳力源阵列、弹性支撑结构、控制系统以及输出所述微纳力源阵列产生的标准微纳力值的输出探针；

所述上基板通过所述弹性支撑结构与所述下基板连接，所述微纳力源阵列布设于所述上基板与所述下基板之间；

所述微纳力源阵列包括若干个阵列模块，每一所述阵列模块由一组叉指电容构成，每一组所述叉指电容设于所述上基板与所述下基板之间；

所述微纳力源阵列具有多列所述阵列模块，每一列所述阵列模块组成一组阵列模块组，同一组阵列模块组的阵列模块输出的微纳力值为同一数量级，且不同阵列模块组的阵列模块输出的微纳力值为不同数量级；

每一所述阵列模块通过所述控制系统分别与外接电源电连接，所述控制系统用于根据预设输出力值选择对应的阵列模块接通电源，以使所述微纳力源阵列产生与所述预设输出力值相对应的标准微纳力值。

2.根据权利要求1所述的用于微纳力测量的力源装置，其特征在于，每一所述阵列模块组均包括5个阵列模块，且同一组的5个阵列模块输出的微纳力值的比为1:1:2:2:5。

3.根据权利要求2所述的用于微纳力测量的力源装置，其特征在于，每一所述阵列模块组中的阵列模块为按照输出微纳力值的比呈中心对称位置排列为1:2:5:2:1。

4.根据权利要求1所述的用于微纳力测量的力源装置，其特征在于，所述用于微纳力测量的力源装置还包括底板，所述下基板支撑在所述底板上。

5.根据权利要求1所述的用于微纳力测量的力源装置，其特征在于，所述上基板及所述下基板均为四层结构基板，所述四层结构基板依次由上绝缘层、电路层、下绝缘层、基底层连接而成；所述上绝缘层和所述下绝缘层均用于将每一所述阵列模块进行固定并相互绝缘；所述电路层用于将每一所述阵列模块分别与所述电源相连接。

6.一种用于如权利要求1～3任一项所述的用于微纳力测量的力源装置的实现方法，其特征在于，包括：

通过控制系统接收用户输入的微纳力需求指令；

根据微纳力源阵列的阵列模块固有参数对所述微纳力需求指令进行分析，得到微纳力值分解结果；

根据所述微纳力值分解结果将相应的阵列模块接通电源，以使所述微纳力源阵列产生与用户需求相对应的标准微纳力值，并通过所述输出探针将所述标准微纳力值进行输出。

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