[发明专利]一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置及其溯源方法

权利要求书

1.一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于包括：被测悬臂(8)、已知悬臂(11)、CCD相机(12)、线阵光源(13)、纳米微动台(5)、转接件1(4)、转接件2(6)、第一安装杆(7)、第二安装杆(10)、被测悬臂位置粗调单元、已知悬臂位置粗调单元、水平观测调整单元；

纳米微动台(5)依次通过转接件2(6)、第一安装杆(7)与被测悬臂(8)相连，用于使被测悬臂(8)沿Z轴作直线运动，从而与已知悬臂(11)相互接触；

被测悬臂位置粗调单元，与所述纳米微动台(5)相连，用于实现纳米微动台(5)在X轴、Y轴、Z轴方向位移调整以及角度调整；

已知悬臂位置粗调单元，与被测悬臂位置粗调单元相对，用于调整已知刚度悬臂(11)X轴、Y轴和Z轴方向位移，保证已知悬臂(11)的探针十字刻线中心处于被测悬臂(8)针尖正下方；

CCD相机(12)，位于所述被测悬臂位置粗调单元侧边，用于实时显示、记录已知悬臂和被测悬臂的位置状态；

CCD相机(12)和线阵光源(13)均安装在水平观测调整单元上，由水平观测调整单元调整高度、角度和水平位移，线阵光源(13)与CCD相机(12)镜头相对，两悬臂位于镜头与光源中间，镜头、悬臂与光源位于同一光轴处。

2.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：所述被测悬臂位置粗调单元包括由自上而下依次连接的三维位移台(3)、角位移台(2)，以及升降台(1)组成，纳米微动台(5)通过转接件1(4)与三维位移台(3)连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：所述已知悬臂位置粗调单元由自上而下依次连接的二维位移台(9)和升降台(1)组成，二维位移台(9)用于改变XY方向的位置，升降台(1)用于调节高度。

4.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：所述水平观测调整单元由自下而上依次连接的升降台(1)、角位移台(2)和二维位移台(9)组成；已知悬臂(11)通过第二安装杆(10)与二维位移台(9)相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：进一步设置了控制计算单元，包括控制模块、采集模块与图像处理模块；所述控制模块用于驱动控制微动台(5)的位移；所述采集模块用于采集所述相机镜头捕捉的影像；所述图像处理模块，用于通过边缘锐化、阈值分割、边缘提取和边缘检测方式，对所采集的图像进行处理，从而分别得到两悬臂的运动过程中的像素点变化，计算出被测悬臂刚度值。

6.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：

进一步，设置了隔振光学平台，用于放置所述纳米微动台、已知悬臂位置粗调单元、被测悬臂位置粗调单元、水平观测调整单元和线阵光源(13)；

进一步，设置了密封罩，位于所述隔振光学平台上。

7.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：所述已知臂梁(11)的材质为单晶硅，形状为矩形悬臂；所述被测悬臂(8)一端设有探针，通过探针与已知臂梁(11)接触产生弹性形变；所述纳米微动台(5)通过上位机界面进行对位移的控制。

8.根据权利要求1所述的一种基于参考梁法的微纳力值标准测量装置，其特征在于：线阵光源(13)与一8位光强控制器相连，调节光照强度。

9.一种基于参考梁法的微纳力值溯源方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、通过精密天平法对已知悬臂(11)的刚度进行标定，用作已知悬臂的测试，在标定过程中，天平测头恰好加载至已知悬臂(11)十字刻线中心；调整CCD相机(12)的高度和线阵光源(13)的亮度，并使用分辨率板对所用CCD相机(12)进行像素标定，确定像素与位移的数量关系；

S2、调整已知悬臂位置粗调单元，使已知悬臂(11)与相机和光源位于同一光轴上，通过相机可观察到已知悬臂(11)的清晰影像；

S3、调整被测悬臂位置粗调单元，使得已知悬臂的影像清晰度与被测悬臂清晰度一致，且此被测悬臂恰好在已知悬臂的上方，被测悬臂的探针尖端与已知悬臂的十字刻线中心在竖直方向对齐，悬臂靠近但不相互接触，相机拍下此时的悬臂位置影像；

S4、通过控制计算单元的控制模块，驱动与被测悬臂(8)相连的纳米微动台(5)，使得该纳米微动台(5)带动被测悬臂(8)沿着Z轴方向运动，得两悬臂相互接触并产生弹性变形；

S5、采集纳米微动台(5)和CCD相机(12)影像的输出数据，通过边缘锐化、阈值分割边缘提取、检测方式对图像进行处理，并根据S1步骤标定的相机像素点与位移的关系确定已知悬臂位移与被测悬臂的位移，从而通过参考梁法的公式对被测悬臂进行刚度计算；

S6、根据所得刚度实现力值溯源。