本实用新型专利技术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；本实用新型专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术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；本技术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。【专利说明】 一种基于静电力原理的微纳力值标准装置
本技术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。
技术介绍
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专利技术名称为“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。
技术实现思路
本技术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，或者可通过实践本技术而学习。 为克服现有技术的问题，本技术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； 该静电力发生单兀包括: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；ΧΥ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。 根据本技术的一个实施例，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。 根据本技术的一个实施例，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。 根据本技术的一个实施例，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。 根据本技术的一个实施例，该接触端部的末端设有砝码架，用于放置砝码。 根据本技术的一个实施例，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。 根据本技术的一个实施例，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。 根据本技术的一个实施例，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。 根据本技术的一个实施例，该静电力发生单元中的第一内电极的本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡刚，蒋继乐，张智敏，孟峰，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：新型
国别省市：北京;11
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