一种多方向微纳力测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种多方向微纳力测量装置，包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。本实用新型专利技术包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，基于弹性支撑机构上的标准微纳力值与被测微纳力值相平衡原理测量出外界施加的微纳力值，与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，克服了现有技术不能进行非竖直方向微纳力值测量的缺陷，满足了人们对空间非竖直方向微纳量级力值测量的高要求。本实用新型专利技术可广泛应用于力测量领域。

Micro Nali measuring device for multi direction

The utility model discloses a multi direction micro connecting measuring device, which comprises a loading mechanism, the standard value generating device, micro connecting elastic supporting mechanism and a position measuring device, the end of the elastic support mechanism is connected with a position measuring device, the standard value of micro device and load connecting mechanism are respectively arranged on both sides of the supporting mechanism in the elastic. The utility model comprises a loading mechanism, the standard value generating device, micro connecting elastic supporting mechanism and a position measuring device, an elastic supporting mechanism on the standard micro Nali value with the value of phase equilibrium principle of measuring micrometer Nali micro Nali imposed from outside based on the value of the measuring direction has nothing to do with the micro Nali value measurement for micro Nali in any direction in space, to overcome the existing technology can not be non vertical micro Nali measurements defects, to meet the high demand of the people for space non vertical micro nano force value measurement. The utility model can be widely applied in the field of measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种多方向微纳力测量装置
本技术涉及力测量领域，尤其是一种多方向微纳力测量装置。
技术介绍
随着现代科技的飞速发展，人类认识世界的能力已从宏观领域进入到微观领域，特别是近年来MEMS技术的兴起，对于极小力值物理量的测量已变得越来越重要。例如在微纳卫星中用于姿态控制的MEMS微推进器，其产生的微牛量级力值的准确性将直接影响微纳卫星的姿态控制精度；而在纳米压痕测量过程中施加的微牛到毫牛量级的力值精度直接决定着材料纳米硬度的计算结果。目前对于微纳量级力值的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非竖直方向微纳力值的测量，如在MEMS微推进器性能测试等领域中就需要对水平方向以及空间其他方向的微纳力值进行测量。因此，目前的微纳牛顿量级力值的测量装置不能进行非竖直方向微纳力值的测量，满足不了人们对微纳牛顿量级力值测量的高要求，亟待进一步完善和提高。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本技术的目的在于：提供一种能进行非竖直方向微纳力值测量的，多方向微纳力测量装置。本技术所采取的技术方案是：一种多方向微纳力测量装置，包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。进一步，还包括固定板，所述弹性支撑机构的前端固定在固定板上。进一步，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。进一步，所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。本技术的有益效果是：包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，基于弹性支撑机构上的标准微纳力值与被测微纳力值相平衡原理测量出外界施加的微纳力值，与微纳力值的测量方向无关，能进行空间任意方向的微纳力测量，克服了现有技术不能进行非竖直方向微纳力值测量的缺陷，满足了人们对空间非竖直方向微纳量级力值测量的高要求。进一步，标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，采用了叉指状电容装置作为微纳力值的标准力源，简化了测量结构，降低了测量成本，便于进行集成。附图说明图1为本技术的多方向微纳力测量装置进行空间任意方向微纳力测量时的结构示意图；图2为本技术的多方向微纳力测量装置进行水平方向微纳力测量时的结构示意图；图3为图2的受力示意图；图4为图2的受力形变示意图；图5为本技术叉指状电容装置的结构参数示意图；图6为叉指状电容装置输出力值与叉指间距的关系图。具体实施方式参照图1，一种多方向微纳力测量装置，包括：加载机构4，用于加载外界施加的被测微纳力值；标准微纳力值发生装置2，用于产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值；弹性支撑机构1，用于接收被测微纳力值和标准微纳力值并产生相应的形变；位置测量装置3，用于测量弹性支撑机构的位置变化；所述弹性支撑机构1的末端与位置测量装置3连接，所述标准微纳力值发生装置2和加载机构4分别安装在弹性支撑机构1的两侧。参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括固定板5，所述弹性支撑机构1的前端固定在固定板5上。其中，弹性支撑机构1的前端通过固定板5进行固定，本技术把弹性支撑机构1与固定板5相接触的点称为弹性支撑机构固定点。进一步作为优选的实施方式，所述标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置，所述叉指状电容装置的两个极板间的结构为叉指状结构。进一步作为优选的实施方式，所述位置测量装置为电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或光学辅助位置测量设备。下面结合说明书附图和具体实施例对本技术作进一步解释和说明。实施例1参照图2、3、4和5，本技术的第一实施例：以本技术在进行水平方向微纳力测量时的测量装置为例，该测量装置主要由五部分组成，1为弹性支撑机构，主要用于接收外界施加的微纳力值和标准微纳力值并发生微小形变；2为标准微纳力值发生装置，主要作为产生与被测微纳力值相平衡的标准微纳力值力源；3为位置测量装置，主要用于确定弹性支撑机构1的位置变化；4为加载机构，用于被测微纳力值的加载；5为固定板，用于固定弹性支撑机构的前端。其中，本技术的弹性支撑机构1可以采用图2形状的弹性器件，但不限于图2中的形状，也采用其他弹性支撑结构。位置测量装置3，可采用电容式位置测量设备、电感式位置测量设备、电阻式位置测量设备或其他光学辅助测量设备等。本技术的微纳力测量装置利用微纳力值与静电力平衡的原理对加载在弹性支撑机构上的微纳力值进行测量。以标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置为例，设微纳力测量装置未受到外力作用时，弹性支撑机构1处于平衡位置(如图2和3所示)。当外界对加载机构4施加微纳力值F时，与加载机构4相连接的弹性支撑机构1将发生微小变形(其位置如图4的虚线所示)。同时安装在弹性支撑机构1末端的位置测量装置3测试到弹性支撑机构1偏离平衡位置，此时在标准微纳力值发生装置2的两端施加电压，使标准微纳力值发生装置2产生相互吸引的微纳力值Fin。而标准微纳力值发生装置2产生的微纳力值的作用，将使得弹性支撑机构1逐渐向平衡位置移动。逐步增大施加在标准微纳力值发生装置2两端的电压，使标准微纳力值发生装2产生的微纳力值逐渐增大，弹性支撑机构1将不断向平衡位置移动，直至位置测量装置3检测到弹性支撑机构1已经完全恢复到平衡位置，此时表明弹性支撑机构1上的受力平衡，即弹性支撑机构1上所受到的外界施加的微纳力与标准微纳力发生装置2所产生的微纳力平衡。根据力的平衡原理，有：Fin×l1＝F×l(1)可以得到外界施加的微纳力F为：F＝Fin×l1/l(2)而标准微纳力值发生装置2产生的标准微纳力Fin可以根据加载电压U和叉指状电容装置的结构参数计算得到，如下式所示：公式(3)中各参数如图5所示，N是叉指状电容装置中叉指的总个数，ε0为空气介电常数，g是叉指状电容装置中相邻两叉指侧面距离的一半，x0为叉指状电容装置中相邻两叉指相交部分长度的一半。根据式(1)(2)(3)可得外界施加的微纳力F为：公式(4)中除加载电压U之外，其余参数均为叉指状电容装置设计加工或封装过程中已确定的参数，因此只需测量加载在叉指状电容装置两端的电压U即可得到弹性支撑机构所受到的外界加载微纳力。实施例2参照图1、5和6，本技术的第二实施例：本技术的微纳力测量装置在测量空间任意方向的微纳力时，其工作原理如图1所示。以标准微纳力值发生装置为叉指状电容装置为例，由于微纳力测量装置自身重量的存在，将导致弹性支撑机构1发生微小形变，其位置由位置A变为位置B。同时弹性支承结构1的微小形变使得标准静电微纳力发生装置2两叉指间的位置发生微小变化。此时，本技术微纳力测量装置的初始平衡位置即为弹性支撑机构1发生微小形变的位置(如图1中虚线B所示)，也就是说，当微纳力测量装置未受到外力作用时，弹性支撑机构1处于如图1虚线B所示的平衡位置。当外界对加载机构4施加微纳力值F时，与加载机构4相连接的弹性支撑机构1将发生微小变形。同时安装在弹性支撑机构1末端的位置测量装置3测试到弹性支撑机构1偏离如图1中虚线B所示的平衡位置，直到弹性支撑机构1的位置偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。

【技术特征摘要】
1.一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：包括加载机构、标准微纳力值发生装置、弹性支撑机构和位置测量装置，所述弹性支撑机构的末端与位置测量装置连接，所述标准微纳力值发生装置和加载机构分别安装在弹性支撑机构的两侧。2.根据权利要求1所述的一种多方向微纳力测量装置，其特征在于：还包括固定板，所述弹性支撑机构的前端固定在固定板上...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐立，郑培亮，李闯，黄振宇，李倩，丘卉，
申请(专利权)人：广东省计量科学研究院华南国家计量测试中心，
类型：新型
国别省市：广东,44