一種多方向微納力測量裝置及測量方法與流程
2023-11-03 01:45:43 6

本發明涉及力測量領域,尤其是一種多方向微納力測量裝置及測量方法。
背景技術:
隨著現代科技的飛速發展,人類認識世界的能力已從宏觀領域進入到微觀領域,特別是近年來mems技術的興起,對於極小力值物理量的測量已變得越來越重要。例如在微納衛星中用於姿態控制的mems微推進器,其產生的微牛量級力值的準確性將直接影響微納衛星的姿態控制精度;而在納米壓痕測量過程中施加的微牛到毫牛量級的力值精度直接決定著材料納米硬度的計算結果。目前對於微納量級力值的測量主要集中在豎直方向,但在應用過程中許多時候會涉及到非豎直方向微納力值的測量,如在mems微推進器性能測試等領域中就需要對水平方向以及空間其他方向的微納力值進行測量。目前的微納牛頓量級力值的測量裝置不能進行非豎直方向微納力值的測量,滿足不了人們對微納牛頓量級力值測量的高要求,亟待進一步完善和提高。
技術實現要素:
為解決上述技術問題,本發明的目的在於:提供一種能進行非豎直方向微納力值測量的,多方向微納力測量裝置。
本發明的另一目的在於:提供一種能進行非豎直方向微納力值測量的,多方向微納力測量方法。
本發明所採取的技術方案是:
一種多方向微納力測量裝置,包括:
加載機構,用於加載外界施加的被測微納力值;
標準微納力值發生裝置,用於產生與被測微納力值相平衡的標準微納力值;
彈性支撐機構,用於接收被測微納力值和標準微納力值並產生相應的形變;
位置測量裝置,用於測量彈性支撐機構的位置變化;
所述彈性支撐機構的末端與位置測量裝置連接,所述標準微納力值發生裝置和加載機構分別安裝在彈性支撐機構的兩側。
進一步,還包括固定板,所述彈性支撐機構的前端固定在固定板上。
進一步,所述標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置,所述叉指狀電容裝置的兩個極板間的結構為叉指狀結構。
進一步,所述位置測量裝置為電容式位置測量設備、電感式位置測量設備、電阻式位置測量設備或光學輔助位置測量設備。
本發明所採取的另一技術方案是:
一種多方向微納力測量方法,包括以下步驟:
獲取彈性支撐機構的平衡位置;
通過加載機構為彈性支撐機構施加被測微納力值,使彈性支撐機構偏離平衡位置;
調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小,使得彈性支撐機構從偏離平衡位置恢復平衡位置;
根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值。
進一步,所述調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小,使得彈性支撐機構從偏離平衡位置恢復平衡位置這一步驟,其具體為:
從0開始逐漸增大標準微納力值發生裝置的靜電力大小,直至彈性支撐機構恢復平衡位置為止,並記錄彈性支撐機構恢復平衡位置時的靜電力大小。
進一步,所述根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值這一步驟,其包括:
分別獲取從彈性支撐機構固定點到標準微納力值發生裝置中心的距離l1以及從彈性支撐機構固定點到加載機構的距離l,所述彈性支撐機構固定點為彈性支撐機構與固定板相接觸的點;
根據彈性支撐機構恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小fin、距離l1和距離l計算被測微納力值f,所述被測微納力值f的計算公式為:f=fin×l1/l。
進一步,所述標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置。
進一步,所述調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小,使得彈性支撐機構從偏離平衡位置恢復平衡位置這一步驟,其具體為:
從0開始逐漸增大叉指狀電容裝置的加載電壓值,直至彈性支撐機構恢復平衡位置為止,並記錄彈性支撐機構恢復平衡位置時的加載電壓值。
進一步,所述根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值這一步驟,其包括:
分別獲取從彈性支撐機構固定點到叉指狀電容裝置中心的距離l1以及從彈性支撐機構固定點到加載機構的距離l,所述彈性支撐機構固定點為彈性支撐機構與固定板相接觸的點;根據恢復平衡位置時叉指狀電容裝置的加載電壓值u、距離l1和距離l計算被測微納力值f,所述被測微納力值f的計算公式為:其中,n是叉指狀電容裝置中叉指的總個數,ε0為空氣介電常數,g是叉指狀電容裝置中相鄰兩叉指側面距離的一半,x0為叉指狀電容裝置中相鄰兩叉指相交部分長度的一半。
本發明的裝置的有益效果是:包括加載機構、標準微納力值發生裝置、彈性支撐機構和位置測量裝置,基於彈性支撐機構上的標準微納力值與被測微納力值相平衡原理測量出外界施加的微納力值,與微納力值的測量方向無關,能進行空間任意方向的微納力測量,克服了現有技術不能進行非豎直方向微納力值測量的缺陷,滿足了人們對空間非豎直方向微納量級力值測量的高要求。進一步,標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置,採用了叉指狀電容裝置作為微納力值的標準力源,簡化了測量結構,降低了測量成本,便於進行集成。
本發明的方法的有益效果是:包括獲取彈性支撐機構的平衡位置,通過加載機構為彈性支撐機構施加被測微納力值,調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小以及根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值的步驟,採用了靜電力與被測微納力值平衡的測量方法來測量出被測微納力值,與微納力值的測量方向無關,能進行空間任意方向的微納力測量,克服了現有技術不能進行非豎直方向微納力值測量的缺陷,滿足了人們對空間非豎直方向微納量級力值測量的高要求。進一步,標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置,採用了叉指狀電容裝置作為微納力值的標準力源,簡化了測量結構,降低了測量成本,便於進行集成。
附圖說明
圖1為本發明的多方向微納力測量裝置進行空間任意方向微納力測量時的結構示意圖;
圖2為本發明的多方向微納力測量裝置進行水平方向微納力測量時的結構示意圖;
圖3為圖2的受力示意圖;
圖4為圖2的受力形變示意圖;
圖5為本發明叉指狀電容裝置的結構參數示意圖;
圖6為叉指狀電容裝置輸出力值與叉指間距的關係圖。
具體實施方式
參照圖1,一種多方向微納力測量裝置,包括:
加載機構4,用於加載外界施加的被測微納力值;
標準微納力值發生裝置2,用於產生與被測微納力值相平衡的標準微納力值;
彈性支撐機構1,用於接收被測微納力值和標準微納力值並產生相應的形變;
位置測量裝置3,用於測量彈性支撐機構的位置變化;
所述彈性支撐機構1的末端與位置測量裝置3連接,所述標準微納力值發生裝置2和加載機構4分別安裝在彈性支撐機構1的兩側。
參照圖1,進一步作為優選的實施方式,還包括固定板5,所述彈性支撐機構1的前端固定在固定板5上。
其中,彈性支撐機構1的前端通過固定板5進行固定,本發明把彈性支撐機構1與固定板5相接觸的點稱為彈性支撐機構固定點。
進一步作為優選的實施方式,所述標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置,所述叉指狀電容裝置的兩個極板間的結構為叉指狀結構。
進一步作為優選的實施方式,所述位置測量裝置為電容式位置測量設備、電感式位置測量設備、電阻式位置測量設備或光學輔助位置測量設備。
一種多方向微納力測量方法,包括以下步驟:
獲取彈性支撐機構的平衡位置;
通過加載機構為彈性支撐機構施加被測微納力值,使彈性支撐機構偏離平衡位置;
調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小,使得彈性支撐機構從偏離平衡位置恢復平衡位置;
根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值。
進一步作為優選的實施方式,所述調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小,使得彈性支撐機構從偏離平衡位置恢復平衡位置這一步驟,其具體為:
從0開始逐漸增大標準微納力值發生裝置的靜電力大小,直至彈性支撐機構恢復平衡位置為止,並記錄彈性支撐機構恢復平衡位置時的靜電力大小。
進一步作為優選的實施方式,所述根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值這一步驟,其包括:
分別獲取從彈性支撐機構固定點到標準微納力值發生裝置中心的距離l1以及從彈性支撐機構固定點到加載機構的距離l,所述彈性支撐機構固定點為彈性支撐機構與固定板相接觸的點;
根據彈性支撐機構恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小fin、距離l1和距離l計算被測微納力值f,所述被測微納力值f的計算公式為:f=fin×l1/l。
進一步作為優選的實施方式,所述標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置。
進一步作為優選的實施方式,所述調整標準微納力值發生裝置的靜電力大小,使得彈性支撐機構從偏離平衡位置恢復平衡位置這一步驟,其具體為:
從0開始逐漸增大叉指狀電容裝置的加載電壓值,直至彈性支撐機構恢復平衡位置為止,並記錄彈性支撐機構恢復平衡位置時的加載電壓值。
進一步作為優選的實施方式,所述根據恢復平衡位置時標準微納力值發生裝置的靜電力大小計算被測微納力值這一步驟,其包括:
分別獲取從彈性支撐機構固定點到叉指狀電容裝置中心的距離l1以及從彈性支撐機構固定點到加載機構的距離l,所述彈性支撐機構固定點為彈性支撐機構與固定板相接觸的點;
根據恢復平衡位置時叉指狀電容裝置的加載電壓值u、距離l1和距離l計算被測微納力值f,所述被測微納力值f的計算公式為:其中,n是叉指狀電容裝置中叉指的總個數,ε0為空氣介電常數,g是叉指狀電容裝置中相鄰兩叉指側面距離的一半,x0為叉指狀電容裝置中相鄰兩叉指相交部分長度的一半。
本發明採用了標準微納力裝置的標準微納力與外界施加的微納力平衡的原理對外界施加的微納力進行測量,解決了空間各個方向微納力的測量問題;同時這一原理的採用,使得本發明在微納力測量過程中無需測量彈性體的具體形變值,從而簡化了輔助測量裝置,消除了彈性體蠕變對測量結果的影響。
下面結合說明書附圖和具體實施例對本發明作進一步解釋和說明。
實施例1
參照圖2、3、4和5,本發明的第一實施例:
以本發明在進行水平方向微納力測量時的測量裝置為例,該測量裝置主要由五部分組成,1為彈性支撐機構,主要用於接收外界施加的微納力值和標準微納力值並發生微小形變;2為標準微納力值發生裝置,主要作為產生與被測微納力值相平衡的標準微納力值力源;3為位置測量裝置,主要用於確定彈性支撐機構1的位置變化;4為加載機構,用於被測微納力值的加載;5為固定板,用於固定彈性支撐機構的前端。
其中,本發明的彈性支撐機構1可以採用圖2形狀的彈性器件,但不限於圖2中的形狀,也採用其他彈性支撐結構。
位置測量裝置3,可採用電容式位置測量設備、電感式位置測量設備、電阻式位置測量設備或其他光學輔助測量設備等。
本發明的微納力測量裝置利用微納力值與靜電力平衡的原理對加載在彈性支撐機構上的微納力值進行測量。
以標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置為例,設微納力測量裝置未受到外力作用時,彈性支撐機構1處於平衡位置(如圖2和3所示)。當外界對加載機構4施加微納力值f時,與加載機構4相連接的彈性支撐機構1將發生微小變形(其位置如圖4的虛線所示)。同時安裝在彈性支撐機構1末端的位置測量裝置3測試到彈性支撐機構1偏離平衡位置,此時在標準微納力值發生裝置2的兩端施加電壓,使標準微納力值發生裝置2產生相互吸引的微納力值fin。而標準微納力值發生裝置2產生的微納力值的作用,將使得彈性支撐機構1逐漸向平衡位置移動。逐步增大施加在標準微納力值發生裝置2兩端的電壓,使標準微納力值發生裝2產生的微納力值逐漸增大,彈性支撐機構1將不斷向平衡位置移動,直至位置測量裝置3檢測到彈性支撐機構1已經完全恢復到平衡位置,此時表明彈性支撐機構1上的受力平衡,即彈性支撐機構1上所受到的外界施加的微納力與標準微納力發生裝置2所產生的微納力平衡。
根據力的平衡原理,有:
fin×l1=f×l(1)
可以得到外界施加的微納力f為:
f=fin×l1/l(2)
而標準微納力值發生裝置2產生的標準微納力fin可以根據加載電壓u和叉指狀電容裝置的結構參數計算得到,如下式所示:
公式(3)中各參數如圖5所示,n是叉指狀電容裝置中叉指的總個數,ε0為空氣介電常數,g是叉指狀電容裝置中相鄰兩叉指側面距離的一半,x0為叉指狀電容裝置中相鄰兩叉指相交部分長度的一半。
根據式(1)(2)(3)可得外界施加的微納力f為:
公式(4)中除加載電壓u之外,其餘參數均為叉指狀電容裝置設計加工或封裝過程中已確定的參數,因此只需測量加載在叉指狀電容裝置兩端的電壓u即可得到彈性支撐機構所受到的外界加載微納力。
實施例2
參照圖1、5和6,本發明的第二實施例:
本發明的微納力測量裝置在測量空間任意方向的微納力時,其工作原理如圖1所示。
以標準微納力值發生裝置為叉指狀電容裝置為例,由於微納力測量裝置自身重量的存在,將導致彈性支撐機構1發生微小形變,其位置由位置a變為位置b。同時彈性支承結構1的微小形變使得標準靜電微納力發生裝置2兩叉指間的位置發生微小變化。此時,本發明微納力測量裝置的初始平衡位置即為彈性支撐機構1發生微小形變的位置(如圖1中虛線b所示),也就是說,當微納力測量裝置未受到外力作用時,彈性支撐機構1處於如圖1虛線b所示的平衡位置。
當外界對加載機構4施加微納力值f時,與加載機構4相連接的彈性支撐機構1將發生微小變形。同時安裝在彈性支撐機構1末端的位置測量裝置3測試到彈性支撐機構1偏離如圖1中虛線b所示的平衡位置,直到彈性支撐機構1的位置偏移至c處(如圖1中虛線c所示)。此時在標準微納力值發生裝置2兩端施加電壓,使標準微納力值發生裝置2產生相互吸引的微納力值fin。而標準微納力值發生裝置2產生的微納力值的作用,將使得彈性支撐機構1逐漸向平衡位置移動。逐步增大施加在標準微納力值發生裝置2兩端的電壓,使標準微納力值發生裝2產生的微納力值逐漸增大,彈性支撐機構1將不斷向平衡位置移動,直至位置測量裝置3檢測到彈性支撐機構1已經完全恢復到平衡位置,此時表明彈性支撐機構1上的受力平衡,即彈性支撐機構1上所受到的外界施加的微納力與標準微納力發生裝置2所產生的微納力平衡。此時外界施加的微納力仍可根據實施例1的公式(4)計算得到。
微納力測量裝置的自重較小,因此其導致彈性支撐機構1的位置偏移量也極小,使得標準靜電微納力發生裝置2兩叉指間的位置變化量也極小。同時由於本發明採用了叉指狀的標準靜電力裝置,根據該裝置的結構特點,即使裝置中叉指間距發生較大變化時,其仍能夠保持較好的輸出結果,也就是說裝置叉指間距發生改變對於裝置輸出靜電力的影響極小。
圖6為標準靜電微納力發生裝置採用叉指狀電容裝置時,其輸出力值與叉指間距的關係曲線圖。其中,線型圖(即x0對應的圖)表示當叉指間交叉距離x0分別為4mm,5mm,6mm時,輸出微小力值的理論計算值;點狀圖(即exp.x0對應的圖)為叉指間距離x0分別為4mm,5mm,6mm時,輸出微小力值的實驗值。
由圖6可見,當叉指間距發生變化時,其輸出微納力值的變化較小,而在實際應用中由於裝置自重產生的標準微納力發生裝置2兩叉指間的位置變化量要遠小於圖6中的距離變化量,因此可以認為標準微納力發生裝置2的輸出靜電力幾乎不受影響,這也是本微納力測量裝置選用該形狀的電容裝置作為標準微納力源的主要原因。
與現有技術相比,本發明具有以下優點:
(1)基於彈性支撐機構上的標準微納力值與被測微納力值相平衡原理,實現了各方向施加的微納力測量,解決了非豎直方向微納力測量的問題。目前大多數微納力值測量裝置均只能在豎直方向上進行測量,嚴重阻礙了微納力值的應用,而採用本發明的裝置可以實現對空間各方向所受的微納力進行測量。
(2)直接利用彈性支撐機構上力的平衡原理進行測量,不涉及摩擦力的作用,解決了現有微納力測量易受摩擦力影響的問題,完全消除了摩擦力對微納力值測量過程的影響。
(3)採用了叉指狀電容裝置作為微納力值的標準力源,該標準力源裝置產生的微納力值標準力源的精度只取決於其叉指的加工精度和安裝精度以及電壓的加載精度,極大地簡化了現有微納力值測量過程中對於超高精度輔助測量設備的高要求(如雷射幹涉儀、高精度位移控制平臺等),大大簡化了測量裝置的結構,降低了測量裝置的成本,便於進行集成。
(4)包括加載機構、標準微納力值發生裝置、彈性支撐機構和位置測量裝置,結構簡單,便於實現小型化和便攜化,解決了目前微納力測量裝置結構複雜的問題。本發明的測量裝置所涉及的結構較少,同時不涉及複雜幾何結構的加工,因此結構簡單,便於加工封裝,同時由於本發明的測量裝置不涉及其他大型輔助設備,因此便於小型化、微型化和便攜化。
(5)採用了靜電力與被測力值平衡的測量方法,將力學量的測量轉化為電學量的測量,可將微納力值測量的力學測量值溯源至電學量或者質量,解決了微納力值測量過程中其自身測量值溯源的問題。
(6)不涉及彈性支撐機構形變數值的測量,因此完全消除了彈性體蠕變對於測量結果的影響,長期穩定性較好。目前的各種微納力值測量裝置一般通過彈性體形變值與外界施加微納力的函數關係進行測量,由於彈性體不可避免地存在蠕變,導致其在測量過程中由於彈性體自身蠕變的影響而導致測量結果的誤差較大,使裝置的長期穩定性較差。而本發明採用的位置測量裝置只需測量彈性體在測量過程中是否復原,因此不存在彈性體蠕變對於測量結果的影響,長期穩定性較好。
以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明,但本發明並不限於所述實施例,熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換,這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。