一種基于電磁補(bǔ)償天平的微納力值標(biāo)準(zhǔn)裝置及其溯源方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于電磁補(bǔ)償天平的微納力值標(biāo)準(zhǔn)裝置及其溯源方法，包括：電磁補(bǔ)償天平，用于測(cè)量微小力值；載荷柱，安裝在電磁補(bǔ)償天平的中部，其頂部設(shè)有接觸片；微動(dòng)臺(tái)，通過(guò)懸臂梁安裝桿與被測(cè)微懸臂或微力傳感器相連，用于使被測(cè)微懸臂或微力傳感器能沿Z軸作直線運(yùn)動(dòng)；懸臂位置粗調(diào)單元，與微動(dòng)臺(tái)相連，用于實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)在X軸、Y軸、Z軸方向位移調(diào)整，在X軸、Y軸方向的角度調(diào)整；在溯源方法中利用電磁補(bǔ)償天平剛度、被測(cè)微懸臂的安裝角度修正懸臂彈性常數(shù)，或利用微力傳感器的安裝角度修正微力傳感器力值靈敏度。本發(fā)明提高了被測(cè)微懸臂或微力傳感器定位的準(zhǔn)確度，對(duì)懸臂彈性常數(shù)、微力傳感器力值靈敏度進(jìn)行修正，以使結(jié)果更準(zhǔn)確。
【專利說(shuō)明】一種基于電磁補(bǔ)償天平的微納力值標(biāo)準(zhǔn)裝置及其溯源方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微小力值計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電磁補(bǔ)償天平的微納力值 標(biāo)準(zhǔn)裝置及其溯源方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微納技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、生物、微電子等領(lǐng)域?qū)ξ⑿×χ涤?jì)量的需求越 來(lái)越大。在材料納米力學(xué)性能研究中采用的原子力顯微鏡微懸臂的彈性常數(shù)和納米力學(xué)測(cè) 量系統(tǒng)中的微小力值傳感器的力值，均需要進(jìn)行量值溯源。目前，我國(guó)微納力值溯源體系尚 為空白，國(guó)內(nèi)尚缺少溯源到SI單位的（nN-mN)范圍的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和有效的溯源方法。在 現(xiàn)有的技術(shù)條件下，各類用戶、儀器制造商及研究機(jī)構(gòu)只能采用基于不同原理的多種方法 進(jìn)行微小力值的測(cè)量，無(wú)法溯源到SI單位，因此材料力學(xué)特性測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度較低、分 散性較大，導(dǎo)致了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域微納器件/微納系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證，成為我國(guó)微 納技術(shù)產(chǎn)品向高端發(fā)展的瓶頸。
[0003] 為了復(fù)現(xiàn)和傳遞微納力值，近十幾年來(lái)，一些國(guó)外計(jì)量研究機(jī)構(gòu)研制并建立了微 納力值標(biāo)準(zhǔn)裝置。在微牛、納牛測(cè)量范圍，根據(jù)力值復(fù)現(xiàn)原理的不同，通常采用兩種方法。一 種是基于質(zhì)量的方法，微小力值標(biāo)準(zhǔn)裝置由三維直線運(yùn)動(dòng)臺(tái)（位移粗調(diào)單元）、一維壓電陶 瓷微動(dòng)臺(tái)（位移精調(diào)）和電磁補(bǔ)償天平（質(zhì)量比較儀）組成。被測(cè)微懸臂或微納力值傳感 器被安裝到壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)上。傳感器隨微動(dòng)臺(tái)以一定的位移間隔沿直線運(yùn)動(dòng)，其探針尖 端與質(zhì)量比較儀的標(biāo)記接觸，直到施加最大力值。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)微動(dòng)臺(tái)的位移進(jìn)行精 確控制，并在每個(gè)位移間隔點(diǎn)，分別采集微動(dòng)臺(tái)的位移、電磁補(bǔ)償天平的輸出和被測(cè)微懸臂 或傳感器的輸出信號(hào)，可以計(jì)算出其彈性常數(shù)或力值靈敏度。由于受到砝碼質(zhì)量和微動(dòng)臺(tái) 位移測(cè)量技術(shù)的限制，以及被測(cè)傳感器安裝情況及環(huán)境因素的影響，基于質(zhì)量方法的測(cè)量 裝置測(cè)量結(jié)果的不確定度較大，其量值溯源方法仍需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
[0004] 另一種是基于電學(xué)的方法，通常采用電容傳感器復(fù)現(xiàn)靜電力方式的微納力值標(biāo)準(zhǔn) 裝置，由電容傳感器（靜電力發(fā)生裝置）、彈性支撐機(jī)構(gòu)、位移測(cè)量和控制系統(tǒng)等組成。裝置 的結(jié)構(gòu)有所不同，有的采用同軸圓柱式電容器結(jié)構(gòu)，有的采用平行板電容器結(jié)構(gòu)。
[0005] 授權(quán)
【發(fā)明者】胡剛, 蔣繼樂(lè), 張智敏, 孟峰 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
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