微機(jī)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(jī)械系統(tǒng)，具體涉及一 種微機(jī)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(jī)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(jī)械而言，微機(jī)械中的摩擦磨損問題及其機(jī)理成為科研的熱點(diǎn)之一。微摩擦磨損的存在 影響微系統(tǒng)中構(gòu)件的運(yùn)動平穩(wěn)性，損耗系統(tǒng)工作能量，甚至影響整體微機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和 壽命。一方面，微機(jī)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(yùn) 動平穩(wěn)性，還會損耗大量能量，因此在微機(jī)械設(shè)計(jì)中要盡量減小摩擦力，降低摩擦損耗，甚 至實(shí)現(xiàn)零摩擦；另一方面，在一些特殊功能的微機(jī)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(shí)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(shí)時(shí)控制。因此需要 研究微觀摩擦、磨損的機(jī)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(jī)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(shí)測量微小正壓力和切向摩擦力，便于研究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(jī)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(yùn)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(gè)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(gè)以上的條狀電容單元組成的梳齒結(jié)構(gòu)，每個(gè)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(jì)算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。
[0005] 微機(jī)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(gè)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5$，bQS = + ，其中，為條狀電容單元的驅(qū)動電極長度，13。3為條狀電容單元的感應(yīng)
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(cuò)位偏移，錯(cuò)位偏移大小相同、方向相反。所述 梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個(gè)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&5。所述平行板面積S=M(a(]+a5)b。，其中，M為條狀電容單 元數(shù)量，b。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(gè)條 狀電容單元的引線通過并聯(lián)或者獨(dú)立連接到傳感系統(tǒng)信號處理器。所述條狀電容單元的寬
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(jī)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(jī)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，對研究微觀摩擦、磨損的機(jī)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(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】的條狀電容單元對的初始錯(cuò)位圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】的通過相同傳遞系數(shù)K實(shí)現(xiàn)輸出響應(yīng)求和。
[0017] 圖11是本發(fā)明的【具體實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施方式】
[0021] 下面對照附圖，通過對實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)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(jìn)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(yùn)動的微機(jī)電系統(tǒng)來說，由于微型機(jī)械的運(yùn)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(gè)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，需要研究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(shí)則要求摩擦力具有穩(wěn)定的數(shù)值并能夠主動控制。因此需要研究微觀 摩擦、磨損的機(jī)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(shí) 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(gè)傳感器都對應(yīng)了 一個(gè)切向的摩擦力和法向的載荷力，通過這個(gè)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(gè)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(jì)算X方向的切向力