CN204101217U - 一种基于静电力原理的微纳力值标准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，由静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元、测量控制单元组成；该静电力发生单元包括：第一内电极，顶端设有第一主轴；外电极，同轴设置在该第一内电极外侧；第二内电极，顶端设有第二主轴；微小力值引入单元包括：第一柔性铰链组，与第一内电极相连；第二柔性铰链组，与第二内电极相连；本实用新型能减小蠕变对内电极位移测量的影响；同时实现对第一内电极与外电极的同轴度的调整，提高电容梯度测量的准确度；使测量环境更稳定，提高微小力值测量的准确度和可靠性。

Description

一种基于静电力原理的微纳力值标准装置

技术领域

本实用新型涉及微小力值计量测试领域，尤其涉及一种基于静电力原理的微纳力值标准装置。

背景技术

随着微纳技术的不断发展，新材料、生物、微电子等领域对微小力值计量的需求越来越大。在材料纳米力学性能研究中采用的原子力显微镜微悬臂的弹性常数和纳米力学测量系统中的微小力值传感器的力值，均需要进行量值溯源。目前，我国尚缺少溯源到SI单位的(nN-mN)范围的计量标准装置和有效的溯源方法，各类用户、仪器制造商及研究机构只能采用基于不同原理的多种方法进行微小力值的测量，无法溯源到SI单位，因此在相关领域的材料力学特性测量结果准确度较低、分散性较大，导致了我国相关领域微纳器件/微纳系统的产品质量得不到保证，成为我国微纳技术产品向高端发展的瓶颈。

在微牛、纳牛测量范围，根据力值复现原理的不同，通常采用两种方法。一种是基于质量的方法，微小力值标准装置由三维直线运动台、一维压电陶瓷微动台和电磁补偿天平组成。被测微悬臂或微纳力值传感器被安装到压电陶瓷微动台上，随微动台以一定的位移间隔沿直线运动。计算机测控系统对微动台的位移进行精确控制，并在每个位移间隔点，分别采集微动台的位移、电磁补偿天平的输出和被测微悬臂或传感器的输出信号，可以计算出其弹性常数或力值灵敏度。由于受到砝码质量和微动台位移量值溯源技术的限制，这种方法测量结果的不确定度较大。

另一种是基于电学的方法，通常采用电容传感器复现静电力方式的微纳力值标准装置，由电容传感器(静电力发生装置)、弹性支撑机构、位移测量和控制系统等组成。装置的结构有所不同，有的采用同轴圆柱式电容器结构，有的采用平行板电容器结构。这种基于静电力复现的微纳力值标准装置将静电力值溯源到电学量(电压、电容)和几何量(长度)基准。

申请公布号CN102539028A的中国专利公开了一项发明名称为“基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置及其溯源方法”的技术方案，采用了后一种力值复现的原理和方法。该装置采用的弹性悬挂机构存在一定的位移蠕变；尚缺少高准确度的内外电极同轴度调整机构；对环境温度、振动等尚无法实现有效的控制，导致测量准确度不高。

实用新型内容

本实用新型的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本实用新型而学习。

为克服现有技术的问题，本实用新型提供一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，由静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元、测量控制单元组成；

该静电力发生单元包括：第一内电极，顶端设有第一主轴；外电极，同轴设置在该第一内电极外侧；第二内电极，顶端设有第二主轴；

该内电极位置调整单元，用于调整该第一内电极、第二内电极的位置，包括：支撑杆，沿Z轴方向设置；XY轴电动摆动台，与该支撑杆的底部相连，用于调整该支撑杆沿XY轴的俯仰角度；XY轴光栅尺平移台，与该XY轴电动摆动台相连，用于调整该XY轴电动摆动台和支撑杆的XY轴位移；齿轮齿条夹持器，夹持在该支撑杆上，用于沿Z轴方向移动，该齿轮齿条夹持器上设有第一直角块与第二直角块；

该微小力值引入单元，用于传递外部施加的微小力值，包括：第一柔性铰链组，一端与所述第一直角块相连，另一端与所述静电力发生单元的第一主轴相连；第二柔性铰链组，一端与所述第二直角块相连，另一端与所述静电力发生单元的第二主轴相连；

该外电极位置调整单元，用于调整该静电力发生单元中外电极的位置，包括：安装杆，与该外电极相连；压电陶瓷微动台，与该安装杆固定连接；压电陶瓷微动台调整组件，与该压电陶瓷微动台的底部相连，用于调整该压电陶瓷微动台的位置；

该悬臂位置调整单元包括：悬臂梁安装杆，一端安装被测微悬臂或微力传感器；悬臂梁位置调整组件，与该悬臂梁安装杆相连，用于调整该悬臂梁安装杆的位置；

该观测单元包括用于拍摄该静电力发生单元中第一内电极与外电极位置关系的同轴观测相机组以及用于观测该悬臂位置调整单元中被测微悬臂或微力传感器与该微小力值引入单元中第一柔性铰链组的接触状态的观测显微镜组；

该测量控制单元包括激光干涉位移测量器(也称为激光干涉位移测量系统)，用于通过位移差动测量方法测量所述静电力发生单元中第一内电极、第二内电极的位移，以减小蠕变对内电极位移测量的影响。

根据本实用新型的一个实施例，还包括隔振台以及放置在该隔振台上的双层腔室；该双层腔室中的上层腔室为真空腔，用于放置该静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元；该双层腔室中的下层腔室为常压腔，用于放置该测量控制单元中的激光干涉位移测量器。

根据本实用新型的一个实施例，该第一柔性铰链组包括：第一横杆，其一端通过第一柔性铰链与直角连接块相连，另一端通过第二柔性铰链与接触端部相连，该接触端部用于与该被测微悬臂或微力传感器相接触，该直角连接块用于与该第一直角块相连；第二横杆，与该第一横杆平行设置，该第二横杆的一端通过第三柔性铰链与该直角连接块相连，另一端通过第四柔性铰链与主轴连接端部相连，该主轴连接端部用于与该静电力发生单元的第一主轴相连；竖直连杆，用于连接该接触端部与主轴连接端部；该第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链的上表面为向下凹的椭圆弧形，其下表面与该上表面呈轴对称。

根据本实用新型的一个实施例，该椭圆弧形的长轴为15mm，短轴为5mm，第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链的宽度为5mm,且其上表面与下表面的最小距离为0.1mm。

根据本实用新型的一个实施例，该接触端部的末端设有砝码架，用于放置砝码。

根据本实用新型的一个实施例，还包括：平衡固定杆，与该直角连接块相连，其上设有固定孔，通过销钉将该第一柔性铰链组固定，防止该接触端部、主轴连接端部下垂。

根据本实用新型的一个实施例，所述微小力值引入单元中第一柔性铰链组、第二柔性铰链组的结构相同，且材料均为铍青铜。

根据本实用新型的一个实施例，该测量控制单元还包括控制器，用于对该外电极位置调整单元中压电陶瓷微动台的位移进行精确的给定和控制，使该静电力发生单元中的外电极随该压电陶瓷微动台以一定的位移间隔沿Z轴作直线运动；电容电桥，用于测量该静电力发生单元中第一内电极与外电极的电容信号；数字源表，用于施加该静电力发生单元中第一内电极与外电极间的电压。

根据本实用新型的一个实施例，该静电力发生单元中的第一内电极的外径为20mm，内径为18mm，高度为20mm；外电极的外径为23mm，内径为21mm，高度为20mm；外电极的内表面和第一内电极的外表面的表面粗糙度Pa值为8nm；该第一内电极的底面与第二内电极的底面的表面粗糙度Pa值为13nm。

根据本实用新型的一个实施例，该外电极位置调整单元的调整组件包括：二维手动摆动台，与该压电陶瓷微动台的底部相连；Z轴光栅尺平移台，与该二维手动摆动台的底部相连；XY轴手动平移台，与该光栅尺平移台的底部相连；

该悬臂位置调整单元的调整组件包括：Z轴光栅尺平移台，与该悬臂梁安装杆的底部相连；二维手动摆动台，与该Z轴光栅尺平移台的底部相连；Z轴粗调手动升降台，与该二维手动摆动台的底部相连；XY轴手动平移台，与该Z轴粗调手动升降台的底部相连。

该观测单元中的同轴观测相机组包括沿X轴方向、Y轴方向分别设置2组完全相同的同轴观测相机调整单元，所述同轴观测相机调整单元包括：固定架，其端部水平设有相机；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度。

该观测单元中的观测显微镜组包括2组观测显微镜位置调整组件，所述观测显微镜位置调整组件包括：水平L型固定架，沿Z轴方向设置；水平方向观测的显微镜沿X轴(或Y轴)方向安装在所述固定架上；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度；二维手动平台，与所述一维转台的底部相连；垂直L型固定架，沿Z轴方向设置；垂直方向观测的显微镜沿Z轴方向安装在所述固定架上；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度；手动升降台，与所述一维转台的底部相连；二维手动平移台，与所述手动升降台的底部相连。该水平L型固定架与垂直L型固定架可以由2个直角块配合组成。

本实用新型提供一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，采用激光干涉位移测量器对第一内电极与第二内电极的位移进行差动测量，从而显著减小了蠕变对内电极位移测量的影响；通过内电极位置调整单元与外电极位置调整单元对第一内电极与外电极的同轴度进行调整，从而提高了电容梯度测量的准确度。

通过阅读说明书，本领域普通技术人员将更好地了解这些技术方案的特征和内容。

附图说明

下面通过参考附图并结合实例具体地描述本实用新型，本实用新型的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本实用新型的解释说明，而不构成对本实用新型的任何意义上的限制，在附图中：

图1为本实用新型实施例的基于静电力原理的微纳力值标准装置的结构示意图。

图2为本实用新型第一实施例的第一铰链组的俯视图。

图3为本实用新型第一实施例的第一铰链组的沿A-A’的截面图。

图4为本实用新型第二实施例的第一铰链组的俯视图。

图5为本实用新型第二实施例的第一铰链组的沿B-B’的截面图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型提供一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，由静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元、测量控制单元组成。

其中该静电力发生单元包括：第一内电极11，顶端设有第一主轴12；外电极13，同轴设置在第一内电极11的外侧；第二内电极14，顶端设有第二主轴15。该第一内电极11的外径为20mm，内径为18mm，高度为20mm；外电极13的外径为23mm，内径为21mm，高度为20mm。该第一内电极11、外电极13、第二内电极14的材料可以采用6061铝合金。为了减小电荷表面聚集效应对电容测量的影响，外电极13内表面和第一内电极11外表面的表面粗糙度Pa值为8nm。在本实施例中，第一内电极11、第二内电极14均为圆柱形，为了测量内电极位移，将第一内电极11与第二内电极14的底面作为激光位移测量的反射面，其表面粗糙度Pa值为13nm。

该内电极位置调整单元，用于调整第一内电极、第二内电极的位置，包括：支撑杆21，沿Z轴方向设置；XY轴电动摆动台22，与支撑杆的底部相连，用于调整该支撑杆沿XY轴的俯仰角度；XY轴光栅尺平移台23，与XY轴电动摆动台相连，用于调整该XY轴电动摆动台和支撑杆的XY轴位移；齿轮齿条夹持器24，夹持在该支撑杆21上，用于沿Z轴方向移动，该齿轮齿条夹持器24上设有第一直角块25与第二直角块26。如此通过改变齿轮齿条夹持器24在Z轴的固定位置，就能调整第一内电极11、第二内电极14的Z轴位移。在本实施例中，该内电极位置调整单元中第一直角块25与第二直角块26设置在同一平面内，且该第一直角块25与第二直角块26的结构、尺寸均相同。

该微小力值引入单元，用于传递外部施加的微小力值，包括：第一柔性铰链组80，一端与第一直角块25相连，另一端与静电力发生单元的第一主轴12相连；第二柔性铰链组90，一端与第二直角块26相连，另一端与静电力发生单元的第二主轴15相连。在具体实施时，微小力值引入单元中第一柔性铰链组80、第二柔性铰链组90的结构相同，且材料均为铍青铜，其弹性常数较小，具有较高的力值灵敏度。

请同时参照图2和图3，具体来说，第一柔性铰链组80包括：第一横杆81，其一端通过第一柔性铰链831与直角连接块84相连，另一端通过第二柔性铰链832与接触端部86相连，该接触端部86用于与被测微悬臂或微力传感器相接触，直角连接块84用于与第一直角块25相连，直角连接块84上可以设有多个例如4个固定通孔，通过螺栓或销与第一直角块25相连；第二横杆82，与该第一横杆81平行设置，该第二横杆的一端通过第三柔性铰链833与该直角连接块84相连，另一端通过第四柔性铰链834与主轴连接端部85相连，该主轴连接端部85用于与该静电力发生单元的第一主轴12相连；竖直连杆87，用于连接该接触端部86与主轴连接端部85；该第一柔性铰链831、第二柔性铰链832、第三柔性铰链833和第四柔性铰链834的上表面为向下凹的椭圆弧形，其下表面与该上表面呈轴对称。

在本实施例中，该椭圆弧形的长轴Rx＝15mm，短轴Ry＝5mm，且第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链的上表面与下表面的最小距离t＝0.1mm，第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链的宽度a＝5mm。

此外，还包括：平衡固定杆88，与直角连接块84相连，且位于第一横杆81与第二横杆82之间，该平衡固定杆88上设有固定孔。

为了减轻第一柔性铰链组80的重量，在第一横杆81、第二横杆82、竖直连杆87上设置减重通孔，其中竖直连杆87中间的减重通孔和该平衡固定杆88上的固定孔，还可用于在非使用状态时，通过销钉将该第一柔性铰链组80固定，防止接触端部86、主轴连接端部85下垂。

请再同时参照图4和图5，分别是本实用新型第二实施例的第一柔性铰链组的俯视图和沿B-B’的截面图。与上一实施例不同的是，在本实施例中，该接触端部86的末端设有砝码架，用于放置砝码，实现静电力与静重砝码复现的力值校核，由于砝码非常小，为细丝状，因此在具体实施时，砝码架采用凹槽866，用于悬挂砝码。为了更好的悬挂砝码，砝码架还可以包括两根相互平行的第一横条861与第二横条862，且在第一横条861与第二横条862上都设有凹槽866。

第二柔性铰链组90与第一柔性铰链组80的结构完全相同，只是在第二柔性铰链组90中，直角连接块用于与第二直角块26相连，主轴连接端部用于与静电力发生单元的第二主轴15相连。

当第一柔性铰链组80的接触端部86与被测微悬臂或微力传感器相接触时，或在第一柔性铰链组80的接触端部86放置砝码时，此时第一柔性铰链组80的第一柔性铰链831、第二柔性铰链832、第三柔性铰链833、第四柔性铰链834连同第一横杆81、第二横杆82等机构会构成一个平行四边形。具有上述结构的第一柔性铰链组80、第二柔性铰链组90其弹性常数能达到10N/m至20N/m，从而使微纳力值标准装置具有较高的力值灵敏度。

在具体实施时，第一柔性铰链组80、第一内电极11作为测量机构，第二柔性铰链组90、第二内电极14作为参考机构。在利用测量控制单元中的激光干涉位移测量器61测量上述2套机构的位移时，蠕变产生的影响可以相互抵消，进而测量出静电力发生单元中第一内电极11的精确位移。

外电极位置调整单元，用于调整静电力发生单元中外电极的位置，包括：安装杆31，与该外电极13相连；压电陶瓷微动台32，与安装杆31固定连接；压电陶瓷微动台调整组件，与压电陶瓷微动台32的底部相连，用于调整该压电陶瓷微动台的位置。具体来说，压电陶瓷微动台调整组件包括：二维手动摆动台33，与压电陶瓷微动台32的底部相连；Z轴光栅尺平移台34，与二维手动摆动台33的底部相连；XY轴手动平移台35，与光栅尺平移台34的底部相连。该外电极位置调整单元能实现X轴、Y轴方向±35mm位移调整；Z轴方向10mm位移粗调，定位精度为2μm，250μm位移精调，(闭环)分辨率为1nm；XY轴±20°/±15°俯仰角度调整。

本实用新型采用外电极固定，第一内电极5个自由度位移和俯仰角度调整的方式，对内外电极同轴度进行调整，实现X轴、Y轴方向50mm位移调整，XY轴±14°俯仰角度调整，使第一内电极与外电极的偏轴距小于5μm，相对倾斜角小于0.1°。

悬臂位置调整单元包括：悬臂梁安装杆41，一端安装被测微悬臂或微力传感器46；悬臂梁位置调整组件，与悬臂梁安装杆41相连，用于调整悬臂梁安装杆41的位置；具体来说，该悬臂位置调整单元中悬臂梁位置调整组件包括：Z轴光栅尺平移台42，与悬臂梁安装杆41的底部相连；二维手动摆动台43，与Z轴光栅尺平移台42的底部相连；Z轴粗调手动升降台44，与二维手动摆动台43的底部相连；XY轴手动平移台45，与Z轴粗调手动升降台44的底部相连。该悬臂梁位置调整组件能实现X轴、Y轴方向±35mm位移调整；Z轴方向60mm位移粗调，10mm位移精调，定位精度2μm；XY轴±20°/±15°俯仰角度调整。

观测单元包括用于拍摄该静电力发生单元中第一内电极与外电极位置关系的同轴观测相机组51以及用于观测该悬臂位置调整单元中被测微悬臂或微力传感器与该微小力值引入单元第一柔性铰链组的接触状态的观测显微镜组52。

虽然图中未显示，但在具体实施时，该观测单元中的同轴观测相机组包括沿X轴方向、Y轴方向分别设置2组完全相同的同轴观测相机调整单元，该同轴观测相机调整单元包括：固定架，其端部水平设有相机；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度；该观测单元中的观测显微镜组包括2组观测显微镜位置调整组件，该观测显微镜位置调整组件包括：水平L型固定架，沿Z轴方向设置；水平方向观测的显微镜，沿X轴(或Y轴)方向安装在水平L型固定架上；一维转台，与该水平L型固定架的底部相连；二维手动平台，与该一维转台的底部相连；垂直L型固定架，沿Z轴方向设置；垂直方向观测的显微镜，沿Z轴方向安装在垂直L型固定架上；一维转台，与该垂直L型固定架的底部相连；手动升降台，与该一维转台的底部相连；二维手动平移台，与该手动升降台的底部相连。该水平L型固定架与垂直L型固定架可以由2个直角块配合组成。

本实用新型提供的基于静电力原理的微纳力值标准装置还包括隔振台73以及放置在该隔振台上的双层腔室70；该双层腔室70中的上层腔室71为真空腔，用于放置该静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元；该双层腔室70中的下层腔室72为常压腔，用于放置该测量控制单元中的激光干涉位移测量器。在本实施例中，该双层腔室中的上层腔室腔内的大气压为10^-2Pa。且由于激光干涉位移测量器设置在下层腔室，所以上下层腔室的隔板可以采用玻璃等透光材质，或仅在激光干涉位移测量器上方设置玻璃等透光材质的隔板。

通过隔振台与真空腔室的设置能得到较为稳定的测量环境，进而提高微小力值测量的准确度和可靠性。

虽然图中未显示，但是该测量控制单元还包括控制器，用于对外电极位置调整单元中压电陶瓷微动台的位移进行精确的给定和控制，使静电力发生单元中的外电极随该压电陶瓷微动台以一定的位移间隔沿Z轴作直线运动；电容电桥，用于测量该静电力发生单元中第一内电极与外电极的电容信号；数字源表，用于施加该静电力发生单元中第一内电极与外电极间的电压。

本实用新型提供的基于静电力原理的微纳力值标准装置分别采用材料和结构完全相同的第一柔性铰链组、第二柔性铰链组与第一内电极、第二内电极，显著减小了系统蠕变对内电极位移测量的影响；采用5自由度精密位置调整系统，对第一内电极与外电极的同轴度进行调整，使两者偏轴距小于5μm，相对倾斜角小于0.1°，提高了电容梯度测量的准确度；此外还设有真空腔，并采用光学隔振平台进行隔振处理，得到了较为稳定的测量环境，提高了微小力值测量的准确度和可靠性。

本实用新型提供的基于静电力原理的微纳力值标准装置遵循以下测量原理：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，则所作的功为：

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

式中dW是能量的变化量，F是力值，dz是电容器两电极相对位置的变化量，U是电容器两端的电压，dC是电容器的电容值变化量。

因此，可以通过测量加在电容器上的电压U和电容梯度dC/dz，得到静电力F：

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

设定第一内电极11、外电极13间的零点位置。在该位置附近，采用第一内电极11固定，外电极13沿Z轴运动的方式，对电容梯度dC/dz进行测量。由控制器对压电陶瓷微动台32的位移进行精确的给定和控制，使外电极13随压电陶瓷微动台32以一定的位移间隔沿Z轴作直线运动。在不同的位置点，同时采集压电陶瓷微动台32的位移和内外电极的电容信号，由位移、电容曲线计算系统的电容梯度dC/dz。

本实用新型提供的基于静电力原理的微纳力值标准装置，其力值测量范围10^－8N～10^－4N，既可以将静电力与静重砝码复现的力值进行相互校核，又可以对微悬臂或微力传感器的力值参数进行校准。

在将标准装置复现的静电力值与相应标准砝码的重力值进行比较时，其具体方法为：在第一内电极11、外电极13间施加电压，使其处于初始平衡位置，然后将标准砝码施加到第一柔性铰链组80的接触端部86的砝码架上，第一内电极11受到砝码重力后偏离平衡位置，采用内电极位移反馈系统，通过改变第一内电极11、外电极13的电势差，使第一内电极11重新回到平衡位置。根据下述公式(3)得到对应的静电力。该静电力与标准砝码的重力大小相等，方向相反。采用不同质量的标准砝码，重复以上步骤，得到对应的静电力。

F＝-1/2[(U₁-Vs)²-(U₂-Vs)²]dC/dz  (3)

式中F是静电力，dC是电容器的电容值变化量，dz是电容器两电极相对位置的变化量，U₁是加载前电容器两端的电压，U₂是加载后电容器两端的电压，Vs是由表面场效应产生的电势差。

而当采用本实用新型提供的基于静电力原理的微纳力值标准装置进行微悬臂或微力传感器测量时，有以下两种工作方式：

1)采用悬臂位置调整单元中的Z轴光栅尺平移台42改变被测微悬臂或微力传感器46的位置，使其与第一柔性铰链组80的接触端部86接触，并受到一定的初始力。采用内电极位移反馈系统，控制第一内电极11在Z轴方向的位移。对应不同的位移给定值，通过改变第一内电极与外电极间电势差，根据上述公式(3)得到对应的静电力。相同大小的力值作用到被测微悬臂或微力传感器上，其变形与第一内电极11位移相同，并由激光干涉位移测量器61测得。重复相同的步骤，在第一内电极11不同的位置，得到被测微悬臂或微力传感器46的变形与静电力值的对应关系，由其线性回归直线的斜率导出其弹性常数。

2)在第一内电极11与外电极13间施加电压，使两者处于初始平衡位置。采用悬臂位置调整单元中的Z轴光栅尺平移台42改变微悬臂或微力传感器46的位置，使其与第一柔性铰链组80的接触端部86接触。随后，采用Z轴光栅尺平移台42位移开环控制，微悬臂或微力传感器46继续随Z轴光栅尺平移台42沿Z轴运动，并使第一内电极11偏离平衡位置。当Z轴光栅尺平移台42停止在某一位置点后，第一内电极11受到外力，并产生一定的位移。采用内电极位移反馈系统，通过改变内、外电极的电势差，使第一内电极11重新回到平衡位置。根据公式(3)得到对应的静电力。相同大小的力值作用到微悬臂或微力传感器上。重复相同的步骤，得到微悬臂或微力传感器的输出信号(电压或电阻)与内外电极之间静电力值的对应关系，由其线性回归直线的斜率导出其力值灵敏度。

本实用新型提供的基于静电力原理的微纳力值标准装置，采用内电极位移差动测量方法以减小蠕变对内电极位移测量的影响；通过内电极位置调整单元与外电极位置调整单元，对内电极、外电极5个自由度位移和俯仰角度进行调整，实现对第一内电极与外电极的同轴度的调整，从而提高了电容梯度测量的准确度；标准装置置于真空腔内，并采用光学隔振平台进行隔振处理，得到了较为稳定的测量环境，提高了微小力值测量的准确度和可靠性。

以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变型方案实现本实用新型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特征可用于另一实施例以得到又一实施例。以上仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。

Claims (10)

1.一种基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，由静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元、测量控制单元组成；

所述静电力发生单元包括：第一内电极，顶端设有第一主轴；外电极，同轴设置在所述第一内电极外侧；第二内电极，顶端设有第二主轴；

所述内电极位置调整单元，用于调整所述第一内电极、第二内电极的位置，包括：支撑杆，沿Z轴方向设置；XY轴电动摆动台，与所述支撑杆的底部相连，用于调整所述支撑杆沿XY轴的俯仰角度；XY轴光栅尺平移台，与所述XY轴电动摆动台相连，用于调整所述XY轴电动摆动台和支撑杆的XY轴位移；齿轮齿条夹持器，夹持在所述支撑杆上，用于沿Z轴方向移动，所述齿轮齿条夹持器上设有第一直角块与第二直角块；

所述微小力值引入单元包括：第一柔性铰链组，一端与所述第一直角块相连，另一端与所述静电力发生单元的第一主轴相连；第二柔性铰链组，一端与所述第二直角块相连，另一端与所述静电力发生单元的第二主轴相连；

所述外电极位置调整单元，用于调整所述静电力发生单元中外电极的位置，包括：安装杆，与所述外电极相连；压电陶瓷微动台，与所述安装杆固定连接；压电陶瓷微动台调整组件，与所述压电陶瓷微动台的底部相连，用于调整所述压电陶瓷微动台的位置；

所述悬臂位置调整单元包括：悬臂梁安装杆，一端安装被测微悬臂或微力传感器；悬臂梁位置调整组件，与所述悬臂梁安装杆相连，用于调整所述悬臂梁安装杆的位置；

所述观测单元包括用于拍摄所述静电力发生单元中第一内电极与外电极位置关系的同轴观测相机组以及用于观测所述悬臂位置调整单元中被测微悬臂或微力传感器与所述微小力值引入单元中第一柔性铰链组的接触状态的观测显微镜组；

所述测量控制单元包括激光干涉位移测量器，用于通过位移差动测量方法测量所述静电力发生单元中第一内电极、第二内电极的位移，以减小蠕变对内电极位移测量的影响。

2.根据权利要求1所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，还包括隔振台以及放置在所述隔振台上的双层腔室；所述双层腔室中的上层腔室为真空腔，用于放置所述静电力发生单元、内电极位置调整单元、微小力值引入单元、外电极位置调整单元、悬臂位置调整单元、观测单元；所述双层腔室中的下层腔室为常压腔，用于放置所述测量控制单元中的激光干涉位移测量器。

3.根据权利要求1所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述第一柔性铰链组包括：

第一横杆，其一端通过第一柔性铰链与直角连接块相连，另一端通过第二柔性铰链与接触端部相连，所述接触端部用于与所述被测微悬臂或微力传感器相接触，所述直角连接块用于与所述第一直角块相连；

第二横杆，与所述第一横杆平行设置，所述第二横杆的一端通过第三柔性铰链与所述直角连接块相连，另一端通过第四柔性铰链与主轴连接端部相连，所述主轴连接端部用于与所述静电力发生单元的第一主轴相连；

竖直连杆，用于连接所述接触端部与主轴连接端部；

所述第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链的上表面为向下凹的椭圆弧形，其下表面与所述上表面呈轴对称。

4.根据权利要求3所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述椭圆弧形的长轴为15mm，短轴为5mm，所述第一柔性铰链、第二柔性铰链、第三柔性铰链和第四柔性铰链的宽度为5mm,且其上表面与下表面的最小距离为0.1mm。

5.根据权利要求3所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述接触端部的末端设有砝码架，用于放置砝码。

6.根据权利要求3所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，还包括：平衡固定杆，与所述直角连接块相连，其上设有固定孔，通过销钉将所述第一柔性铰链组固定，防止所述接触端部、主轴连接端部下垂。

7.根据权利要求1所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述微小力值引入单元中第一柔性铰链组、第二柔性铰链组的结构相同，且材料均为铍青铜。

8.根据权利要求1所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述测量控制单元还包括控制器，用于对所述外电极位置调整单元中压电陶瓷微动台的位移进行精确的给定和控制，使所述静电力发生单元中的外电极随所述压电陶瓷微动台以一定的位移间隔沿Z轴作直线运动；电容电桥，用于测量该静电力发生单元中第一内电极与外电极的电容信号；数字源表，用于施加该静电力发生单元中第一内电极与外电极间的电压。

9.根据权利要求1所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述静电力发生单元中的第一内电极的外径为20mm，内径为18mm，高度为20mm；外电极的外径为23mm，内径为21mm，高度为20mm；所述外电极的内表面和所述第一内电极的外表面的表面粗糙度Pa值为8nm，所述第一内电极的底面与第二内电极的底面的表面粗糙度Pa值为13nm。

10.根据权利要求1所述基于静电力原理的微纳力值标准装置，其特征在于，所述外电极位置调整单元的调整组件包括：二维手动摆动台，与所述压电陶瓷微动台的底部相连；Z轴光栅尺平移台，与所述二维手动摆动台的底部相连；XY轴手动平移台，与所述光栅尺平移台的底部相连；

所述悬臂位置调整单元的调整组件包括：Z轴光栅尺平移台，与所述悬臂梁安装杆的底部相连；二维手动摆动台，与所述Z轴光栅尺平移台的底部相连；Z轴粗调手动升降台，与所述二维手动摆动台的底部相连；XY轴手动平移台，与所述Z轴粗调手动升降台的底部相连；

所述观测单元中的同轴观测相机组包括沿X轴方向、Y轴方向分别设置2组完全相同的同轴观测相机调整单元，所述同轴观测相机调整单元包括：固定架，其端部水平设有相机；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度；

所述观测单元中的观测显微镜组包括2组观测显微镜位置调整组件，所述观测显微镜位置调整组件包括：水平L型固定架，沿Z轴方向设置，水平方向观测的显微镜沿X轴(或Y轴)方向安装在固定架上；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度；二维手动平台，与所述一维转台的底部相连；垂直L型固定架，沿Z轴方向设置，垂直方向观测的显微镜沿Z轴方向安装在固定架上；一维转台，与所述固定架的底部相连，用于调整所述固定架的角度；手动升降台，与所述一维转台的底部相连；二维手动平移台，与所述手动升降台的底部相连。