[发明专利]一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法

说明书

本发明提供了一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法，所述装置包括上基板、下基板、微纳力源阵列、弹性支撑结构、以及输出所述微纳力源阵列产生的标准微纳力值的输出探针；所述上基板通过所述弹性支撑结构与所述下基板连接，所述微纳力源阵列布设于所述上基板与所述下基板之间；所述微纳力源阵列包括若干个阵列模块，每一所述阵列模块由一组叉指电容构成，每一组所述叉指电容设于所述上基板与所述下基板之间；且每一所述阵列模块分别与电源相连接。本发明通过改进传统电容式微纳力源装置的结构，能够实现在低电压下输出宽量程、高精度微纳力值的力源。

技术领域

本发明涉及新一代信息技术中的微纳力测量领域，尤其是涉及一种用于微纳力测量的力源装置及其实现方法。

背景技术

随着新一代信息技术装备的不断微型化、集成化发展，在新一代信息技术装备中MEMS器件与微纳加工技术的应用日益广泛，在MEMS技术与微纳加工中，微纳力的测量变得越来越普遍，微纳力测量的准确性和可靠性将直接影响微纳米加工技术的水平与大量MEMS器件的性能，同时微纳加工技术(如光刻技术等)本身也已成为新一代信息技术装备创新中的重要方向，因此微纳力的准确测量对提升新一代信息技术装备的性能与技术创新具有重要意义。如在WMD(一种分配配置光波的技术)网络系统采用的MEMS光学开关部件的主要功能部件—微镜片在装配过程中需要施加一个微纳牛量级的装配力，但该微镜片在所受微纳力超过一定的量值时即发生破碎，因此保证所施加的微纳力的准确可靠，是实现微镜片装配过程顺利进行的关键所在。又比如在LIGA技术(一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术)中涉及到大量的微纳部件的制造与装配，其中大量涉及到微纳牛量级力反馈控制过程，微纳力测量结果的准确可靠是实现微纳加工技术以及MEMS部件自动化的前提与保障。

在微纳力测量装置中，核心部件为产生微纳牛顿量级力值的力源装置，根据不同测量装置所采用的力源形式的不同可以分为电容式测量装置、电感式测量装置、电阻式测量装置等。目前对于微纳牛顿量级的力的测量和量值溯源装置主要采用的均为电容式测量装置，如美国NIST、英国NPL、德国PTB、中国计量科学研究院(NIM)等研究机构在微纳力测量装置中均是采用电容式力源实现对微纳力的测量。其基本原理是利用微纳力测量装置中电容式力源生成的静电力与待测微纳力之间的平衡来实现力的测量。通过控制电容式力源两极板之间的加载电压，从而改变微纳力测量装置中力源输出的微纳牛顿量级的静电力使其与待测微纳力达到平衡，根据力的平衡原理，待测微纳力与测量装置中力源输出的微纳力大小相等、方向相反、且作用于同一条直线上，此时根据微纳力测量装置中力源输出的平衡静电力的大小即可得到待测力值。

电容式微纳力测量装置中力源所产生的微纳静电力计算公式为：

由该公式可知，可通过改变微纳力测量装置中力源的电容梯度或者改变加载电压来改变力源输出的微纳牛量级静电力大小。由于改变微纳力测量装置中力源的电容梯度比较难于准确测量和控制，因此在实际应用过程中一般通过改变装置的加载电压来改变测量装置中力源的输出微纳力值。现有的微纳力测量装置中的力源具有如下的缺点：

(1)虽然改变装置的加载电压比较容易实现，但是为了增加测量装置的测量范围(量程)，对应的测量装置中力源的输出范围也应增大，而为了使装置中力源获得较大的输出微纳静电力需要较高的加载电压(许多时候为扩大测量量程加载电压需要达到2000V以上)，而当加载电压过高时装置中力源的电容极板间很容易发生静电放电现象，造成微纳力测量装置核心部件的击穿；

(2)获得稳定的高电压需要庞大的辅助装置，同时直流高电压输入的稳定性本身也难以保证，若直流高压稳定性无法保证，则微纳力测量装置力源输出的微纳力值准确度与稳定性很难保证，从而直接影响到微纳力测量装置的测量准确度与稳定性；

(3)即使配备了高精度的高压直流稳压电源，根据上述公式可知力源的输出范围仍受到限制，使微纳力测量装置的测量范围较窄，不利于装置推广应用；