微摩擦测试仪的制作方法
【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 种微摩擦测试仪。
【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。 因此需要研究微观摩擦、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，本发明提供一种微摩擦测试仪，测试仪能够同时测量 微小正压力和切向摩擦力，便于研究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：一种微摩擦测试仪，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，所述传感器包括圆环电容单元 组和条状电容单元组，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，圆环电 容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所 述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容 单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容 单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容 单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。
[0005] 微摩擦测试仪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。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容 单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度， 条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位和右差位右 + δ p其中为条状电容单元的驱动电极长度，bg为条状电容单元的感应电极长度。 所述条状电容单元的左差位Ss=右差位δ φ，且2 dQ·^，其中d。为弹性介质厚 度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_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。所述圆环电容单元组包括η个同心圆环电容单元，其中
?其 中，aT为平行板的长度，圆环电容单元圆环的宽度，a5 0相邻两圆环电容单元之间的 电极间距。X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，
，其中，aT为平行板的长度，a5 #为相邻两条状电容单元之间 的电极间距，a。条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度r0和条状电容单元 的宽度a。相等；条状电容单元电极间距a δ #和圆环电容单元电极间距a5 0相等，所述条状 电容单元的宽度其中，d。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。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与传感 系统信号处理器连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与传 感系统信号处理器连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元 模块感应电极分别通过一根引出线与传感系统信号处理器连接。所述圆环电容单元、电容 单元模块与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，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。所述传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/ D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级切换电路，前一级切换电路的输出为下 一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。
[0006] 本发明有如下积极效果：本发明的微摩擦测试仪，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， 对研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题具有重要意义。另外，本发明的电 容压力传感器有效使用平板面积，并且通过驱动电极两端预留等方式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】的同心圆环偏移错位面积分析图。
[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的为外同心圆环错位对外径圆分析图。
[0009] 图3是本发明的【具体实施方式】的平行板电容的平面设计图。
[0010] 图4是本发明的【具体实施方式】的驱动电极的结构图。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的平板电容板的直角坐标系。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的两组圆环电容组结构图。
[0013] 图7是本发明的【具体实施方式】的差动条状电容单元的初始错位图。
[0014] 图8是本发明的【具体实施方式】的差动条状电容单元受力后偏移图。
[0015] 图9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。
[0016] 图10是本发明【具体实施方式】微小摩擦力测试装置结构图。
[0017] 图11是本发明【具体实施方式】摩擦力测试装置传感器位置布置图。
[0018] 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】
[0019] 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。
[0020] 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，需要研究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。因此需要研究微 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。
[0021] 如图10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上设有二 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 置上二维力传感器阵列，如图9,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。
[0022] 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