微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于兩種介質(zhì)間的摩擦力測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及到微機械系統(tǒng)，具體涉及一 種微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，機械產(chǎn)品及零部件的微小型化已經(jīng)發(fā)展成為一種全球化趨勢，相對于傳 統(tǒng)機械而言，微機械中的摩擦磨損問題及其機理成為科研的熱點之一。微摩擦磨損的存在 影響微系統(tǒng)中構(gòu)件的運動平穩(wěn)性，損耗系統(tǒng)工作能量，甚至影響整體微機械結(jié)構(gòu)的性能和 壽命。一方面，微機械不能從外部連續(xù)獲得較大能量，而微構(gòu)件間的摩擦阻力不僅影響其 運動平穩(wěn)性，還會損耗大量能量，因此在微機械設(shè)計中要盡量減小摩擦力，降低摩擦損 耗，甚至實現(xiàn)零摩擦；另一方面，在一些特殊功能的微機械系統(tǒng)構(gòu)件中，反而利用摩擦力 作為牽引力或驅(qū)動力，此時則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值而且可以在線調(diào)整與實時控制。 因此需要研宄微觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題，測試兩種不同介質(zhì)之間的 摩擦力的系統(tǒng)裝置具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝 置，測試裝置能夠同時測量微小正壓力和切向摩擦力，便于研宄正壓力和摩擦力的變化關(guān) 系，分析摩擦系數(shù)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置，包括法向載 荷加載裝置，水平工作臺、傳感器和傳感系統(tǒng)信號處理器，傳感器組成陣列均勻布置在水平 工作臺上，法向載荷加載裝置向水平工作臺上的被測樣品施加法向作用力，水平工作臺作 直線運動，傳感器采集法向作用力和水平摩擦力信號并傳送給傳感系統(tǒng)信號處理器，所述 傳感器包括X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單 元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述電 容單元模塊采用由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極 板的驅(qū)動電極和下極板的感應(yīng)電極，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元 組合的電容值求和計算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。
[0005] 微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置的傳感器陣列上設(shè)置了一層柔性薄膜，柔 性薄膜與水平工作臺固定。所述每個條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū)動 電極的長度大于感應(yīng)電極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別預(yù)留左差位8&和右差位 =b〇感+8^ + 3^其中，為條狀電容單元的驅(qū)動電極長度，1^3為條狀電容單元的感應(yīng) 電極長度。所述差位= ，且\..2知_^，其中(1(|為彈性介質(zhì)厚度，6為彈性介質(zhì) 的抗剪模量，為最大應(yīng)力值。所述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條狀電容單元 的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極沿寬度方向設(shè)有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方向相反。所述 梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個以上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對應(yīng)連接的引線，相鄰兩條 狀電容單元之間設(shè)有電極間距&6。所述平行板面積SiMfefaJlv其中，M為條狀電容單 元數(shù)量，k為條狀電容單元的長度，a^條狀電容單元的寬度。所述電容單元模塊的每個條 狀電容單元的引線通過并聯(lián)或者獨立連接到傳感系統(tǒng)信號處理器。所述條狀電容單元的寬 度aQ =$，其中，屯為彈性介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。 所述傳感系統(tǒng)信號處理器和電容單元模塊之間設(shè)有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓 對電容或頻率對電容的傳輸系數(shù)。
[0006]本發(fā)明有如下積極效果：本發(fā)明的微機械系統(tǒng)構(gòu)件的微小摩擦力測試裝置，可以 準(zhǔn)確獲取兩種不同介質(zhì)之間的摩擦力，滿足微機械涉及過程中，對零構(gòu)件零摩擦或者具有 穩(wěn)定數(shù)值的摩擦力的要求，對研宄微觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題具有重 要意義。另一方面，本發(fā)明的電容壓力傳感器，有效使用平板面積，并且通過差動等方法有 效解決三維力間耦合，并利用特殊的條狀電容結(jié)構(gòu)，使法向與切向轉(zhuǎn)換都達到較高的線性、 精度與靈敏度。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標(biāo)系。
[0008] 圖2是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0011] 圖5是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元對的初始錯位圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實施方式】的條狀電容單元對受力后偏移圖。
[0013] 圖7是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖8是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖9是本發(fā)明的【具體實施方式】的平行板三維力壓力傳感器感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖10是本發(fā)明的【具體實施方式】的通過相同傳遞系數(shù)K實現(xiàn)輸出響應(yīng)求和。
[0017] 圖11是本發(fā)明的【具體實施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0018] 圖12為本發(fā)明【具體實施方式】微小摩擦力測試裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0019] 圖13為本發(fā)明【具體實施方式】摩擦力測試裝置傳感器位置布置圖。
[0020] 其中，1法向載荷加載裝置，2被測樣品，3水平工作臺。
【具體實施方式】
[0021] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發(fā)明的【具體實施方式】如所涉及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù) 方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0022] 本發(fā)明的主要思路是：對于運動的微機電系統(tǒng)來說，由于微型機械的運動構(gòu)件十 分微小，作用于其表面的摩擦力和潤滑粘滯力對整個系統(tǒng)性能的影響比體積力要大很多， 攜帶的動力源又有限，需要研宄減小摩擦阻力的方法；另一方面，摩擦力往往又是微系統(tǒng) 的牽引力或驅(qū)動力，此時則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值并能夠主動控制。因此需要研宄微 觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題，對摩擦力的分析，關(guān)鍵的是對構(gòu)件的摩擦系 數(shù)的測量。
[0023] 如圖12所示，為本發(fā)明的微小摩擦力測試裝置的結(jié)構(gòu)圖，該裝置主要包括法向載 荷加載裝置1，水平工作臺3,將被測樣品2放置在水平工作臺3上，水平工作臺3上設(shè)有三 維力測量裝置，能夠測量同一時刻的法向載荷力和橫向摩擦力。在水平工作臺上均勻的布 置上傳感器陣列，如圖13,每個傳感器之間空有間隔，在傳感器陣列上設(shè)置一層柔性薄膜。
[0024] 本發(fā)明儀器的工作過程是：將被測樣品放置在柔性薄膜上，由于法向載荷很小，這 就對被測樣品2的水平度要求很高，這里可以采用反饋調(diào)節(jié)的方式避免水平工作臺不平整 導(dǎo)致的重力分力干擾，最后影響摩擦力和摩擦系數(shù)的求解。首先，粗調(diào)整水平工作臺，然后 開始讀取傳感器的讀數(shù)，如果水平工作臺不平整，則傳感器測得的切向摩擦力不為零。通過 這一信號反饋，就可以實現(xiàn)對水平工作臺的微調(diào)。
[0025] 調(diào)整好水平工作臺后，將法向載荷加載裝置沿法向移動，使法向載荷加載裝置的 探針接觸到被測樣品，給被測樣品一個法向的壓力，可以通過傳感器前后讀取到的法向的 力差值得到，這里需要考慮到被測樣品的重力。保持法向載荷加載裝置1的位置不變，可實 現(xiàn)法向載荷的恒定。通過移動水平工作臺，記錄下這一過程中法向載荷力和橫向摩擦力，可 獲得切向的摩擦力和法向的載荷力的關(guān)系曲線。理論上，摩擦力和法向的載荷力的關(guān)系曲 線應(yīng)該是一條直線，斜率是摩擦系數(shù)，通過曲線擬合方法，求解出摩擦系數(shù)。具體的，傳感器 陣列的每個傳感器都對應(yīng)了 一個切向的摩擦力和法向的載荷力，通過這個關(guān)系可以求得傳 感器所對應(yīng)的單位面積上的摩擦系數(shù)，可以通過這個摩擦系數(shù)來判斷被測樣品2的整體光 滑度。
[0026] 三維測力傳感器包括X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合，所述 X方向差動電容單元組合通過電容值相減計算X方向的切向力且消除Y方向切向力影響， 所述Y方向差動電容單元組合通過電容值相減計算Y方向的切向力且消除X方向切向力影 響，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計算電容傳感 器的法向力且消除切向力影響。所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合 均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個以上的條狀 電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括