微机械系统构件的微小摩擦力测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于两种介质间的摩擦力测量技术领域，涉及到微机械系统，具体涉及一 种微机械系统构件的微小摩擦力测试装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，机械产品及零部件的微小型化已经发展成为一种全球化趋势，相对于传 统机械而言，微机械中的摩擦磨损问题及其机理成为科研的热点之一。微摩擦磨损的存在 影响微系统中构件的运动平稳性，损耗系统工作能量，甚至影响整体微机械结构的性能和 寿命。一方面，微机械不能从外部连续获得较大能量，而微构件间的摩擦阻力不仅影响其 运动平稳性，还会损耗大量能量，因此在微机械设计中要尽量减小摩擦力，降低摩擦损 耗，甚至实现零摩擦；另一方面，在一些特殊功能的微机械系统构件中，反而利用摩擦力 作为牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可以在线调整与实时控制。 因此需要研宄微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，测试两种不同介质之间的 摩擦力的系统装置具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种微机械系统构件的微小摩擦力测试装 置，测试装置能够同时测量微小正压力和切向摩擦力，便于研宄正压力和摩擦力的变化关 系，分析摩擦系数。
[0004] 本发明的技术方案是：一种微机械系统构件的微小摩擦力测试装置，包括法向载 荷加载装置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平 工作台上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作 直线运动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，所述 传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单 元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电 容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括上极 板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元 组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。
[0005] 微机械系统构件的微小摩擦力测试装置的传感器阵列上设置了一层柔性薄膜，柔 性薄膜与水平工作台固定。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动 电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位8&和右差位 =b〇感+8^ + 3^其中，为条状电容单元的驱动电极长度，1^3为条状电容单元的感应 电极长度。所述差位= ，且\..2知_^，其中(1(|为弹性介质厚度，6为弹性介质 的抗剪模量，为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元 的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述 梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条 状电容单元之间设有电极间距&6。所述平行板面积SiMfefaJlv其中，M为条状电容单 元数量，k为条状电容单元的长度，a^条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条 状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽 度aQ =$，其中，屯为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。 所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压 对电容或频率对电容的传输系数。
[0006]本发明有如下积极效果：本发明的微机械系统构件的微小摩擦力测试装置，可以 准确获取两种不同介质之间的摩擦力，满足微机械涉及过程中，对零构件零摩擦或者具有 稳定数值的摩擦力的要求，对研宄微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题具有重 要意义。另一方面，本发明的电容压力传感器，有效使用平板面积，并且通过差动等方法有 效解决三维力间耦合，并利用特殊的条状电容结构，使法向与切向转换都达到较高的线性、 精度与灵敏度。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。
[0013] 图7是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器结构图。
[0014] 图8是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器驱动电极结构图。
[0015] 图9是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器感应电极结构图。
[0016] 图10是本发明的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。
[0017] 图11是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0018] 图12为本发明【具体实施方式】微小摩擦力测试装置结构图。
[0019] 图13为本发明【具体实施方式】摩擦力测试装置传感器位置布置图。
[0020] 其中，1法向载荷加载装置，2被测样品，3水平工作台。
【具体实施方式】
[0021] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0022] 本发明的主要思路是：对于运动的微机电系统来说，由于微型机械的运动构件十 分微小，作用于其表面的摩擦力和润滑粘滞力对整个系统性能的影响比体积力要大很多， 携带的动力源又有限，需要研宄减小摩擦阻力的方法；另一方面，摩擦力往往又是微系统 的牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值并能够主动控制。因此需要研宄微 观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，对摩擦力的分析，关键的是对构件的摩擦系 数的测量。
[0023] 如图12所示，为本发明的微小摩擦力测试装置的结构图，该装置主要包括法向载 荷加载装置1，水平工作台3,将被测样品2放置在水平工作台3上，水平工作台3上设有三 维力测量装置，能够测量同一时刻的法向载荷力和横向摩擦力。在水平工作台上均匀的布 置上传感器阵列，如图13,每个传感器之间空有间隔，在传感器阵列上设置一层柔性薄膜。
[0024] 本发明仪器的工作过程是：将被测样品放置在柔性薄膜上，由于法向载荷很小，这 就对被测样品2的水平度要求很高，这里可以采用反馈调节的方式避免水平工作台不平整 导致的重力分力干扰，最后影响摩擦力和摩擦系数的求解。首先，粗调整水平工作台，然后 开始读取传感器的读数，如果水平工作台不平整，则传感器测得的切向摩擦力不为零。通过 这一信号反馈，就可以实现对水平工作台的微调。
[0025] 调整好水平工作台后，将法向载荷加载装置沿法向移动，使法向载荷加载装置的 探针接触到被测样品，给被测样品一个法向的压力，可以通过传感器前后读取到的法向的 力差值得到，这里需要考虑到被测样品的重力。保持法向载荷加载装置1的位置不变，可实 现法向载荷的恒定。通过移动水平工作台，记录下这一过程中法向载荷力和横向摩擦力，可 获得切向的摩擦力和法向的载荷力的关系曲线。理论上，摩擦力和法向的载荷力的关系曲 线应该是一条直线，斜率是摩擦系数，通过曲线拟合方法，求解出摩擦系数。具体的，传感器 阵列的每个传感器都对应了 一个切向的摩擦力和法向的载荷力，通过这个关系可以求得传 感器所对应的单位面积上的摩擦系数，可以通过这个摩擦系数来判断被测样品2的整体光 滑度。
[0026] 三维测力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述 X方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X方向的切向力且消除Y方向切向力影响， 所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的切向力且消除X方向切向力影 响，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感 器的法向力且消除切向力影响。所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合 均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状 电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括