[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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。 

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。 

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。 

授权公告号CN 201477009U的中国专利公开了一项实用新型名称为“微小力值测量装置”的技术方案，采用了前一种力值复现的原理和方法。该装置在动横梁下方安装一个基于压电陶瓷原理的直线驱动力值加载模块，并与运动控制器连接，通过计算机和控制器对压电陶瓷模块的位移进行给定和控制，实现了1mN-2N范围的力值测量。该装置尚无法实现1mN以下的力值测量；力值加载模块没有Z轴导向，无法确保受力方向与垂直方向一致；在测量过程中没有考虑电磁补偿天平刚度、微悬臂或微力传感器针尖与天平称量盘接触失稳、微悬臂或微力传感器安装角度等因素对测量结果带来的影响，导致测量准确度较低、不确定度较大。 

发明内容

本发明的特征和优点在下文的描述中部分地陈述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实践本发明而学习。 

为克服现有技术的问题，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，采用悬臂位置粗调单元对被测微悬臂或微力传 感器在XYZ轴位移、XY轴俯仰角度进行调整，提高了定位的准确度。精调部分采用的压电陶瓷微动台，具有导向功能，确保在整个测量过程中，被测微悬臂或微力传感器的受力方向始终与垂直方向一致；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微悬臂弹性常数，利用微力传感器的安装角度修正微力传感器力值灵敏度。 

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下： 

根据本发明的一个方面，提供一种基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置，其特征在于，包括：电磁补偿天平，用于测量微小力值；载荷柱，固定在电磁补偿天平的中部，该载荷柱的顶部设有接触片；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，用于使该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，与该微动台相连，用于实现该微动台在X轴、Y轴、Z轴方向位移调整以及在X轴、Y轴方向的角度调整。 

根据本发明的一个实施例，该接触片的顶部附着高粘度介质，或设有原子力显微镜标准标定器具。 

根据本发明的一个实施例，该接触片为硅片。 

根据本发明的一个实施例，该悬臂位置粗调单元包括：三维手动平台，其中的Z向位移台与该微动台的底部相连；二维手动摆动台，与该三维手动平台的底部相连；一维手动升降台，与该二维手动摆动台的底部相连。 

根据本发明的一个实施例，还包括： 

水平观测显微镜头，位于该接触片的侧边，用于从该接触片的侧面水平观测该接触片与该被测微悬臂或微力传感器的接触状态；