一种基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置及其溯源方法

一种基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置及其溯源方法
【专利摘要】本发明提供一种基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置及其溯源方法，包括：电磁补偿天平，用于测量微小力值；载荷柱，安装在电磁补偿天平的中部，其顶部设有接触片；微动台，通过悬臂梁安装杆与被测微悬臂或微力传感器相连，用于使被测微悬臂或微力传感器能沿Z轴作直线运动；悬臂位置粗调单元，与微动台相连，用于实现微动台在X轴、Y轴、Z轴方向位移调整，在X轴、Y轴方向的角度调整；在溯源方法中利用电磁补偿天平刚度、被测微悬臂的安装角度修正悬臂弹性常数，或利用微力传感器的安装角度修正微力传感器力值灵敏度。本发明提高了被测微悬臂或微力传感器定位的准确度，对悬臂弹性常数、微力传感器力值灵敏度进行修正，以使结果更准确。
【专利说明】一种基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置及其溯源方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及微小力值计量测试领域，尤其涉及一种基于电磁补偿天平的微纳力值 标准装置及其溯源方法。

【背景技术】
[0002] 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，我国微纳力值溯源体系尚 为空白，国内尚缺少溯源到SI单位的（nN-mN)范围的计量标准装置和有效的溯源方法。在 现有的技术条件下，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，因此材料力学特性测量结果的准确度较低、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。
[0003] 为了复现和传递微纳力值，近十几年来，一些国外计量研究机构研制并建立了微 纳力值标准装置。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（位移粗调单元）、一维压电陶 瓷微动台（位移精调）和电磁补偿天平（质量比较仪）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。传感器随微动台以一定的位移间隔沿直线运动，其探针尖 端与质量比较仪的标记接触，直到施加最大力值。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 位移测量技术的限制，以及被测传感器安装情况及环境因素的影响，基于质量方法的测量 装置测量结果的不确定度较大，其量值溯源方法仍需进一步改进和完善。
[0004] 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。
[0005] 授权
【发明者】胡刚, 蒋继乐, 张智敏, 孟峰 申请人:中国计量科学研究院