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专利名称：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
技术领域：
本发明涉及一种。特别是涉及一种可以保证受力方向与静电力发生方向处于同于直线内，其精度能够满足力值最高标准需要的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。
背景技术：
在微纳计量领域，微克量级质量(I(T6g)、微纳量级力值(IO-6N-IO-9N)的测试技术广泛应用于生物医药、新材料、微电子等多个领域。例如在生物医药领域，医药行业的标准品样品量的称重需要先进的微量天平、半微量天平等这些实验室直接用于称量的最常用的仪器工具，这些微量天平的量值溯源直接影响到标准品及昂贵药品的准确配制。在新材料领域，随着对MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)研究的深入，不可避免地遇到了大量的力学问题。MEMS器件与封装材料的本构关系、热胀系数、杨氏模量等机械力学与物理特性，以及焊点与封装结构的断裂强度、疲劳(包括热疲劳和机械疲劳)寿命，测试薄膜力学性能，迫切需要开展μ Ν/ηΝ量级超微力值计量标准研究，为微小样品力值测量提供准确的溯源，支撑新材料领域的产业化发展。然而，微力传感器本身的性能计算显得相对滞后。长度以光波波长为基准，利用光波波长及干涉细分技术，完全可以实现Inm分辨力，用最好的干涉仪甚至可以获得IOpm的分辨力。到目前为止，国际上ΙΟ—Ν以下μ Ν/ηΝ量级超微力值的可溯源测量方法还没有建立起来，无法建立统一的检定标准，只能分门别类地建立一些具体标准。因此超微力测量和可溯源方法的研究具有重大的理论意义。需要研制一种使用方便，可溯源的超微力值计算测试仪器以提供ΙΟ—Ν以下的基本力值标准成为迫切的需要。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以用来标定如探针型测力传感器、表面张力传感器以及在微机电系统、生物芯片制造技术中的微力检测器等的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。本发明所采用的技术方案是一种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。基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，包括受力平台，顶端固定连接在受力平台底部并随受力平台的压力上、下移动的中心轴，所述中心轴的底端固定连接有内电极，且受力平台的中心与中心轴和内电极的轴线处于同一直线，所述的内电极的底部固定有光滑的反射平面，内电极5的外侧套有外电极，还设置有弹性悬挂装置，所述的弹性悬挂装置的上部固定连接在中心轴上，所述的弹性悬挂装置的下部固定设置在垂直式超微力值测量装置支架上，在与所述的内电极相对应的下方设置有激光干涉仪。所述的外电极固定设置在与垂直式超微力值测量装置支架固定相连的一固定架上。所述的中心轴的外周设置有防止中心轴向轴线以外的方向偏移或旋转的自由度限制装置，所述的自由度限制装置固定在垂直式超微力值测量装置支架上。所述的激光干涉仪设置在垂直式超微力值测量装置支架的底座上。所述的弹性悬挂装置包括有固定在中心轴上的上连接架，固定在垂直式超微力值测量装置支架上的下定位架，以及连接在上连接架和下定位架之间的限位弹簧。一种采用基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置的超微力值溯源方法，包括有如下步骤1)设定一个电容器内、外电极的零点位置，使内电极沿着ζ轴方向做位移扫描，记
录扫描过程中的电容量变化，计算电容器的电容梯度值f ；
αζ2)在电容器内、外电极之间施加电压，待悬浮平衡稳定后记录内电极的平衡位置；3)将具有一定标称值的尽可能小的标准砝码放置在超微力值测量装置的受力平台上，这时内电极将在砝码的重力作用下偏离平衡位置，调节两电极间的电压使内电极回到平衡位置，计算静电力值；4)重复步骤三一次或一次以上，得到两组或两组以上不同标称值的标准砝码自重力值和与该标准砝码自重力值所对应的静电力值，对电容器的实际电容梯度值进行曲线拟合和向下延伸，得到实际的电容梯度值曲线；5)根据内电极平衡位置时，施加微小力前后两电极的电压，由公式F = ^U2与,
2 αζ
得到通过电容梯度曲线溯源到标准质量的微小力值，式中，U是电压，C是电容值，ζ是移动距离；步骤3所述的计算静电力值，是根据当时的电压值和公式F = ^f/2 f以及根据步
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骤1所得到的电容梯度值，来计算静电力值。本发明的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，采用受控静电力发生装置复现微小力值，以激光干涉仪测量内外电极的相对位移，把力值的变化传递到电学量相对于位移量的精密电容梯度变化；利用垂直式装置确保被测力与静电力处于同一直线，并采用悬浮式结构减小装置摩擦力并增大测量灵敏度等创新技术，实现10_5 IO-8N的μ Ν/ηΝ级的超微力值测量及溯源，相对不确定度达10_4量级。通过探讨超微力值的测量与溯源方法中的关键技术难题，为研制超微力值计量仪器装备扫清技术障碍，为标定原子力显微镜、如探针型测力传感器、表面张力传感器等微力传感器，以及在微机电系统、 生物芯片制造技术中的微力检测器等提供设备手段。并为建立超微力值计量体系提供技术保证。


图1是本发明的结构示意图中1 受力平台21 上连接架23:限位弹簧
2 弹性悬挂装置 22 下定位架 3:自由度限制装置
4:外电极5:内电极6:激光干涉仪7:中心轴
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的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做出详细说明。如图1所示，本发明的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，包括受力平台1，顶端固定连接在受力平台1底部并随受力平台1的压力上、下移动的中心轴7，所述中心轴7的底端固定连接有内电极5，且受力平台1的中心与中心轴7和内电极5的轴线处于同一直线，所述的内电极5的底部固定有光滑的反射平面，内电极5的外侧套有外电极4，所述的外电极4固定设置在与垂直式超微力值测量装置支架(图中未示)固定相连的一固定架上(图中未示)。还设置有弹性悬挂装置2，所述的弹性悬挂装置2的上部固定连接在中心轴7上，所述的弹性悬挂装置2的下部固定设置在垂直式超微力值测量装置支架(图中未示)上，在与所述的内电极5相对应的下方设置有用于测量内电极5相对于外电极4的位移量的激光干涉仪6。所述的激光干涉仪6设置在垂直式超微力值测量装置支架的底座上。所述的中心轴7的外周在位于弹性悬挂装置2的下方设置有防止中心轴7向轴线以外的方向偏移或旋转的自由度限制装置3，所述的自由度限制装置3固定在垂直式超微力值测量装置支架上。所述的自由度限制装置3可保证内电极5与受力平台1受力时的作用方向与重力线平行，并且不会发生旋转和其他方向的偏移。电容器的几何电容量是与两电极间的有效相对面积是成正比的，通过严格保证内外电极4、5的同轴度，产生的静电力完全沿着ζ轴(中心轴)方向；采用了一种套筒式的自由度限制装置3，用来产生直线运动防止内电极5沿X，y，ζ轴旋转或是沿X，y轴产生位移。控制内外电极4、5的同轴度，防止随着电极间相对面积的改变而引起的电容的非线性变化，从而产生偏离ζ轴方向的力。通过控制内外电极4、5间的电压值，可以始终保持一个平衡力作用于弹性悬挂装置2。所述的弹性悬挂装置2包括有固定在中心轴7上的上连接架21，固定在垂直式超微力值测量装置支架(图中未示)上的下定位架22，以及连接在上连接架21和下定位架 22之间的限位弹簧23。本发明的超微力值溯源方法，包括有如下步骤1)设定一个电容器内、外电极的零点位置，使内电极沿着ζ轴方向做位移扫描，记
录扫描过程中的电容量变化，计算电容器的电容梯度值f ；
dz2)在电容器内、外电极之间施加电压，待悬浮平衡稳定后记录内电极的平衡位置；3)将具有一定标称值的尽可能小的标准砝码放置在超微力值测量装置的受力平台上，这时内电极将在砝码的重力作用下偏离平衡位置，调节两电极间的电压使内电极回到平衡位置，计算静电力值，所述的计算静电力值，是根据当时的电压值和公式F =以及根据步骤1所得到的电容梯度值，来计算静电力值，式中，U是电压，C是电
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容值，Z是移动距离；4)重复步骤三一次或一次以上，得到两组或两组以上不同标称值的标准砝码自重力值和与该标准砝码自重力值所对应的静电力值，对电容器的实际电容梯度值进行曲线拟合和向下延伸，得到实际的电容梯度值曲线；5)根据内电极平衡位置时，施加微小力前后两电极的电压，由公式F = ^U2与,
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得到通过电容梯度曲线溯源到标准质量的微小力值。本发明的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，采取受控静电力与被测微小力处于同一直线的方法构成垂直式静电力测量装置。标准砝码的自重力产生微小基准力，通过曲线拟合得到装置电容器的电容梯度值曲线并向下延伸，通过电学量的变化实现对被测超微力值的溯源。当外力作用于受力平台1时，弹性悬挂装置2随之受力向下移动，内电极5及受力平台1偏移起始位置。此时通过激光干涉仪6测量内外电极 4、5相对位置变化，调节内、外电极4、5的两端电压，控制静电力发生，使内电极5及受力平台1回到起始位置。通过施加力前后两电极间的电压值的差异，求出静电平衡力，经处理得出被测的作用于受力平台1上的力的结果。若将标准砝码置于受力平台1上，就可对电容器的实际电容梯度值进行曲线拟合并向下延伸，从而实现对力值的溯源。本发明的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置的工作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，这是如果改变两个电极的相对位置，则需要做功dW = F-dz = -U2dC(1)
2式中dW为能量的变化(机械力)；F为力值；dz为电容器两电极相对位置的变化； U为电容器两端的电压。这样，通过测量电容器两端电压U以及电容变化梯度f，就可以得到力值的大小。
αζF = -U2-(2)
2 dz当然，这只是理想的一维近似系统，而实际上应该是一种多维系统，伴随着许多外部场和杂散电荷的存在。必须通过对工作电极的工作尺寸及自由度限制系统加以适当约束，尽可能实现这样一个理想化的一维系统，使其不受外界作用场和电荷的影响。但当工作电极的尺寸、位置及外部环境相对稳定时，可以视为电容器的实际电容梯度值为稳定不变， 虽然很难通过理想模型的理论计算来确定电容器的电容梯度值，但由于原理上的可溯源性，可以使用标准力值(如标准砝码等)通过静电力发生装置对此电容梯度值进行曲线拟合并向下延伸，便可通过得到的电容梯度值曲线实现对力值的向下溯源。(1)激光干涉仪本发明采用激光干涉技术测量内电极5的位移量，将内电极5的底部固定有光滑的反射平面，通过激光干涉仪向内电极底部发射和接受激光来测量内电极沿ζ轴的相对位移。具体形式采用单频干涉仪，单频干涉仪机构简单，但干涉信号容易受到工作环境的影
6响，因此采取了直流电平漂移、不等幅及非正交等误差修正措施。(2)弹性悬挂装置本发明采用垂直式结构保证受力平台1与内电极5运动轴线处于同一直线上。弹性悬挂装置2—端与连接内电极5和受力平台1的中心轴7相连，通过弹性元件(如弹簧或簧片等)使弹性悬挂装置的另一端固定在整个系统的外支架上，使内电极5与受力平台 1悬置与外电极中并可对施加于受力平台1上的微小力灵敏感应。(3)自由度限制装置弹性悬挂装置还与自由度限制装置相配合，自由度限制装置可由套筒或铰链等限制中心轴自由度的机构组成，以限制内电极5及受力平台1除沿ζ轴方向位移以外，不可沿其它任何方向位移。(4)环境控制对于超微力测量，环境的影响是很大的，甚至在某种程度上说是致命的。本发明从防震、温度、气流、电磁屏蔽几方面加以控制。①把装置安装在有隔震措施的平台上。②实验室恒温控制温度。③采用真空台进行气流控制。④在电路控制上实现电磁屏蔽，机械结构上尽量不使用对电磁环境有干扰的材料。(5)其他部分电路及计算机控制处理平台系统中需要静电力产生控制电路、电容测量电路、平衡位置定位的处理电路、激光干涉仪接口电路、电源及必要的修正量采集电路等。计算机控制处理平台将在同一的界面下，实现对各部分信号的采集、控制和数据的处理，并把结果显示、输出。(6)实验手段①电容梯度f的确定
dz电容梯度f的方法为以内电极5静止位置为零点，通过位移台控制内电极来回
αζ
地进行位移扫描，扫描距离大约为400 μ m。在每一次扫描过程中，每隔大约40 μ m为一步， 记录下当时的电容量，扫描结束后，将每步测量结果进行平均，得出单次扫描的电容梯度值。这样的扫描过程重复进行η次，最后求出η次扫描结果的平均值，并计算出标准偏差， 作为内电极5零点位置的实验电容梯度值。然后将静电力和测试标准砝码产生的自重力进行比较，给出单位静电力与标准砝码自重力的关系。首先在电容两极板间施加一定的电压，产生一定的静电力，记录此时的内、外电极的相对位置为测量起始平衡位置，然后将具有一定标称值的标准砝码放置在受力平台上，那么内电极5将偏离平衡位置，调节两电极间的电压使内电极5回到起始平衡位置位置，通过施加标准砝码前后的电压值计算出力值的大小。使用不同重量的标准砝码进行多次测量，并将此计算力值与标准砝码的自重力值相比较，实现对实验电容梯度值的曲线拟合并向下延伸，得到实际的电容器电容梯度值曲线及电容梯度不确定度。②静电力标定与力值溯源
在稳定的测量环境下，通过曲线拟合及向下延伸得到的电容梯度值曲线被视为通
过标准质量溯源的理想电容梯度值，由公式F = \u2 f可知，当电容梯度值被确定时，静
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电力所产生的力值大小仅与内外电极之间的电压值有关，由此便可以通过电学量的改变实现对超微力值的向下溯源。
权利要求
1.一种基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，其特征在于，包括受力平台 (1)，顶端固定连接在受力平台(1)底部并随受力平台(1)的压力上、下移动的中心轴(7)， 所述中心轴(7)的底端固定连接有内电极(5)，且受力平台⑴的中心与中心轴(7)和内电极(5)的轴线处于同一直线，所述的内电极(5)的底部固定有光滑的反射平面，内电极5的外侧套有外电极G)，还设置有弹性悬挂装置O)，所述的弹性悬挂装置O)的上部固定连接在中心轴(7)上，所述的弹性悬挂装置O)的下部固定设置在垂直式超微力值测量装置支架上，在与所述的内电极( 相对应的下方设置有激光干涉仪(6)。
2.根据权利要求1所述的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，其特征在于， 所述的外电极固定设置在与垂直式超微力值测量装置支架固定相连的一固定架上。
3.根据权利要求1所述的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，其特征在于， 所述的中心轴⑵的外周设置有防止中心轴(7)向轴线以外的方向偏移或旋转的自由度限制装置(3)，所述的自由度限制装置(3)固定在垂直式超微力值测量装置支架上。
4.根据权利要求1所述的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，其特征在于， 所述的激光干涉仪(6)设置在垂直式超微力值测量装置支架的底座上。
5.根据权利要求1所述的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置，其特征在于， 所述的弹性悬挂装置( 包括有固定在中心轴(7)上的上连接架(21)，固定在垂直式超微力值测量装置支架上的下定位架(22)，以及连接在上连接架和下定位架0 之间的限位弹簧(23)。
6.一种采用权利要求1所述的基于静电力原理的垂直式超微力值测量装置的超微力值溯源方法，其特征在于，包括有如下步骤1)设定一个电容器内、外电极的零点位置，使内电极沿着ζ轴方向做位移扫描，记录扫描过程中的电容量变化，计算电容器的电容梯度值f ；
7.权利要求6所述的超微力值溯源方法，其特征在于，步骤3所述的计算静电力值，是根据当时的电压值和公式F =以及根据步骤1所得到的电容梯度值，来计算静电力
全文摘要
一种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，装置是顶端固定连接在受力平台底部的中心轴，中心轴的底端固定连接有内电极，且受力平台的中心与中心轴和内电极的轴线处于同一直线，内电极的底部固定有光滑的反射平面，内电极5的外侧套有外电极，弹性悬挂装置的上部固定连接在中心轴上，弹性悬挂装置的下部固定设置在垂直式超微力值测量装置支架上，在与内电极相对应的下方设置有激光干涉仪。方法计算电容器的电容梯度值；记录内电极的平衡位置；计算静电力值；得到实际的电容梯度值曲线；得到通过电容梯度曲线溯源到标准质量的微小力值。本发明为标定微力传感器，以及在微机电系统、生物芯片制造技术中的微力检测器等提供设备手段。
文档编号G01L1/14GK102539028SQ201210000958
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者付鲁华, 宋乐, 林玉池, 赵美蓉, 靳展 申请人:天津大学