[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

说明书

本发明提供一种基于参考梁法的微纳力值标准装置及其溯源方法，系统包括：被测悬臂、已知悬臂、相机、线阵光源、纳米微动台、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；微动台用于使被测悬臂与已知悬臂相互接触；被测悬臂位置粗调单元用于实现纳米微动台位移调整及角度调整；已知悬臂位置粗调单元用于保证已知臂梁的十字刻线中心处于被测悬臂针尖正下方；相机用于实时显示、记录已知悬臂和被测悬臂的位置状态；在溯源方法中，通过比较两悬臂移动的像素点个数，即可求得悬臂的刚度。利用现有技术测得已知悬臂的刚度值，进而对被测悬臂进行量值溯源。

技术领域

本发明涉及微小力值计量测试领域，尤其涉及一种基于参考梁法的微纳力值标准装置及其溯源方法。

背景技术

随着科学的不断发展与国际单位制的重大变革，测试计量技术不断向纳米级和亚纳米级的方向进行拓展，微纳加工与微纳检测技术，已成为当前科学研究的热点内容，几十年来，微小力值测量技术取得了迅猛的发展。然而，微小力值的量值溯源体系还没有完全被建立。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。

力值的溯源方法可分为两种，基于静电力的力值溯源和基于质量比较仪的力值溯源。而基于质量比较仪的力值溯源方法，主要是借助于有一定刚度的物体，如微悬臂梁、摆盘实现。其溯源体系在于，高精度的质量比较仪与质量基准进行比对，质量与当地重力加速度的乘积，即为力值。通过微悬臂梁等刚体与质量比较仪相接触，从而实现了力值的进一步传递，将质量比较仪的产生的力值通过悬臂刚度与位移偏转(即挠度)的乘积表示出来。但是，由于质量比较仪的精度有限，并存在一定的零点漂移，因此无法保证100nN以下力值的准确性。这时候就需要通过微悬臂梁等刚体，从而实现更高精度的力值溯源。

微悬臂梁传感器是原子力显微镜(AFM)的力学感应单元，是连接宏观与微观力学的重要工具。微悬臂梁由于具备成本低、体积小、灵敏度高等优点而在生产制造、科学研究、生物医疗等方面有着广泛的应用，是高精度和高灵敏度的传感器的理想的选择。也是实现微小力值溯源的重要工具之一。

微悬臂梁分为AFM悬臂与tipless悬臂两种。其区别在于AFM悬臂下端有一针尖，该悬臂多用于检测表面形貌等。微悬臂梁的刚度检测方法有以下几种：精密天平法、参考梁法、附加质量法、压痕仪法和热噪声法等等。在以上方法中，只有精密天平法和参考梁法具有量值溯源性，而多数基于微悬臂梁刚度的力值溯源的方法均采用精密天平法进行。然而，基于天平法对力值溯源，存在着标定时间过长、加载位置偏差等的问题，且需要逐个对微悬臂梁进行标定，过程较为繁琐，耗费时间过长。而传统的参考梁法也存在着不确定度过高和精度过低的问题，其测量不确定度高达20％。

发明内容

为克服现有技术的天平法探针加载偏差问题与参考梁法带来的不确定度过高的问题，本发明提供一种基于参考梁法的微纳力值标准装置及其溯源方法，通过精密天平法标定已知悬臂，已知悬臂是带有十字刻线的无探针悬臂，可称为tipless悬臂，并通过参考梁法将tipless悬臂与被测悬臂，也称为AFM悬臂相互接触，从而确定AFM悬臂的刚度值。本发明采用悬臂位置粗调单元对已知刚度和被测的悬臂在XYZ轴位移方向进行调整，并通过零件的定位部分降低了直线度误差，提高定位精度。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，两悬臂的受力方向始终与垂直方向一致；采用图像处理单元对两悬臂在互压时的状态进行实时捕捉和处理，确保被测悬臂的探针尖端与已知悬臂的十字刻线中心处于竖直方向的对齐状态；在溯源方法中被测悬臂的刚度通过已知悬臂的刚度进行标定，而已知刚度的悬臂利用专利CN104266792A所述的装置进行标定，包括电磁补偿天平刚度和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等。

本发明的创新点在于首次提出将精密天平法与参考梁法相结合，首次使用图像处理的方法标定参考梁悬臂刚度，由于刚度已知的悬臂自身就具有很低不确定度的刚度值(不确定度低于1.2％)，被测悬臂通过这种高精度悬臂进行标定，可以显著降低不确定度故能够取得更高的精确度。