一種高精度非接觸式三維微小力發(fā)生裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域，尤其是一種高精度非接觸式三維微小力發(fā)生裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 力值是力學(xué)中最基本的物理量之一，力值測量廣泛地應(yīng)用于航空航天、船舶、兵器 等國防科技領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域如電子工業(yè)、汽車工業(yè)等制造業(yè)中也扮演著重要角色。
[0003] 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，力值計(jì)量已經(jīng)形成了比較完善的計(jì)量體系。目前國內(nèi)外已經(jīng) 建立起了一定范圍內(nèi)統(tǒng)一、完整的力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置。我國目前力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)只是限于大 力值（0· 1MN~5MN和0· 5MN~20MN這兩段)和中小力值（10N~1MN)。而對于微小力值的計(jì)量一 般以標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重力來衡量。由于砝碼本身質(zhì)量的制約，最小標(biāo)準(zhǔn)砝碼（即〇. 5mg的砝碼） 可以測量以及溯源的最小力值為微牛級(jí)別，而當(dāng)砝碼質(zhì)量小于毫克級(jí)別時(shí)，由于質(zhì)量本身 存在很大的不確定度，因此各國并沒有建立統(tǒng)一的、小于微牛級(jí)別的微小力值計(jì)量方法。
[0004] 此外，采用微小砝碼雖然可以測量到微牛級(jí)別的力，但僅限于豎直方向。當(dāng)力的方 向?yàn)樗椒较驎r(shí)，目前通常采用定滑輪懸掛砝碼系統(tǒng)來進(jìn)行。該系統(tǒng)通過砝碼在豎直方向 上產(chǎn)生的重力，經(jīng)過滑輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為水平方向的力進(jìn)行測量或是標(biāo)定。該系統(tǒng)方法簡單，便 于操作，因此在一般水平力值測量中經(jīng)常被應(yīng)用。但該系統(tǒng)由于受到摩擦力以及懸掛細(xì)線 自身重力的影響，當(dāng)所測水平力值繼續(xù)減小時(shí)（〈lmN)，其測量誤差開始急劇增大，精度急劇 降低。當(dāng)力值變?yōu)槠渌较驎r(shí)，采用目前的方法很難在其他方向產(chǎn)生出微小標(biāo)準(zhǔn)力。
[0005] 隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，新材料、微電子、生物技術(shù)以及航空航天技術(shù)等領(lǐng)域日 新月異，人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力從宏觀領(lǐng)域進(jìn)入到微觀領(lǐng)域，微納量級(jí)的力值在 微納米量級(jí)的加工技術(shù)、微小力傳感器技術(shù)、生物力學(xué)量測量、液體表面張力研究、微觀摩 擦現(xiàn)象的觀測以及微型衛(wèi)星、微型間諜飛行器的姿態(tài)調(diào)整與定位等許多領(lǐng)域都具有重要的 作用。在國務(wù)院"十二五"戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中，高端裝備制造、生物產(chǎn)業(yè)以及新材料產(chǎn) 業(yè)中的許多領(lǐng)域都離不開精確的微小力值計(jì)量。
[0006] 微納米量級(jí)的加工技術(shù)、微小力傳感器技術(shù)、生物力學(xué)量測量、液體表面張力研 究、微觀摩擦現(xiàn)象的觀測以及微型衛(wèi)星、微型間諜飛行器的姿態(tài)調(diào)整與定位等，都需要對各 方向的微小力值進(jìn)行測量，這其中最為基礎(chǔ)的一環(huán)便是采用準(zhǔn)確的微小力進(jìn)行標(biāo)定。目前 關(guān)于微小力的測量與量值溯源技術(shù)，各國的計(jì)量科研機(jī)構(gòu)都開展了探索與研究工作。美 國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST)研究了基于電力學(xué)的微小力測量及溯源技術(shù)。利用電磁 力結(jié)合瓦特平衡或是靜電力結(jié)合福特電壓平衡來獲得微小標(biāo)準(zhǔn)力值，其標(biāo)稱范圍可達(dá)到 ΙΟηΝ-lOmN，通過與lmg，IOmg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼自重相比較，其相對誤差為10 4量級(jí)。目前NIST 已將建立基于電力學(xué)的一級(jí)測量標(biāo)準(zhǔn)作為微小力測量實(shí)驗(yàn)室的核心目標(biāo)。德國國家物理 技術(shù)研究院（PTB)同樣采用靜電力原理，研制了電容式微小力測試系統(tǒng)，該裝置可用于小 于10 μ N的微小力的測量，其分辨率可達(dá)10 12N。英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL)也準(zhǔn)備采用靜 電力平衡原理，通過平面鏡差分干涉儀測量一個(gè)電介體在受外力時(shí)在電容兩極間移動(dòng)的距 離，來測量InN-I μ N的微小力值，其期望精度為50pN。
[0007] 然而，目前世界各國對于微小力值的計(jì)量溯源體系的建立相對滯后，對微小力值 的測量并無統(tǒng)一可靠的量值溯源方法。且力是一個(gè)矢量，其方向性和量值具有同樣的重要 程度，當(dāng)前國內(nèi)外對于微小力值的研究，絕大多數(shù)都集中在豎直方向，對于非豎直方向的微 小力值的研究少有報(bào)道。但在實(shí)際應(yīng)用中，非豎直方向微小力值比豎直方向微小力值的應(yīng) 用更為頻繁，非豎直方向微小力值的精確計(jì)量已成為制約相關(guān)高端、高精度、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展 的關(guān)鍵問題。
[0008] 此外，目前的微小力檢測裝置大多采用懸臂或是杠桿結(jié)構(gòu)，在接觸被檢裝置時(shí)，稍 不留神便會(huì)發(fā)生施加力過大而引起被檢測裝置損壞或是發(fā)生不可恢復(fù)的破壞，不夠可靠。 以目前廣泛使用的壓電傳感器為例，當(dāng)其接觸某些極為靈敏的裝置時(shí)(如對微牛級(jí)力便會(huì) 有響應(yīng)的裝置)，很容易在接觸時(shí)因用力過大而損壞被測裝置或使被測裝置產(chǎn)生不可恢復(fù) 的影響，所以非接觸式微小力發(fā)生裝置極適合對該類裝置進(jìn)行微小力值的校準(zhǔn)和標(biāo)定。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的目的是：提供一種靈活性高、精確和可靠的 高精度非接觸式三維微小力發(fā)生裝置。
[0010] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0011] 一種高精度非接觸式三維微小力發(fā)生裝置，包括非接觸式微力發(fā)生器、方向調(diào)節(jié) 桿和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和固定底座，所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)安裝在固定底座上，所述方向調(diào)節(jié)桿與旋轉(zhuǎn)平臺(tái) 鉸接，所述非接觸式微力發(fā)生器安裝在方向調(diào)節(jié)桿上。
[0012] 進(jìn)一步，所述非接觸式微力發(fā)生器為叉指微力發(fā)生器，所述叉指微力發(fā)生器的上 下極板間的結(jié)構(gòu)為叉指狀結(jié)構(gòu)，所述叉指微力發(fā)生器的上下極板分別與外部的正負(fù)電極連 接，所述叉指微力發(fā)生器的下極板安裝在方向調(diào)節(jié)桿上。
[0013] 進(jìn)一步，在所述叉指微力發(fā)生器的下極板與方向調(diào)節(jié)桿之間還設(shè)有位置調(diào)節(jié)裝 置。
[0014] 進(jìn)一步，所述位置調(diào)節(jié)裝置包括X方向位置調(diào)節(jié)裝置、Y方向位置調(diào)節(jié)裝置和Z方 向位置調(diào)節(jié)裝置。
[0015] 進(jìn)一步，所述叉指微力發(fā)生器的上極板上方還設(shè)有用于連接被測裝置的連接板。
[0016] 進(jìn)一步，在所述連接板與叉指微力發(fā)生器的上極板之間以及所述叉指微力發(fā)生器 的下極板與位置調(diào)節(jié)裝置之間均設(shè)有絕緣層。
[0017] 進(jìn)一步，還包括定位螺栓，所述旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過定位螺栓固定在固定底座上。
[0018] 進(jìn)一步，還包括用于固定方向調(diào)節(jié)桿方向的固定螺栓。
[0019] 進(jìn)一步，所述方向調(diào)節(jié)桿與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的鉸接方式為球形鉸接。
[0020] 本實(shí)用新型的有益效果是：增設(shè)了方向調(diào)節(jié)桿和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，通過方向調(diào)節(jié)桿和旋 轉(zhuǎn)平臺(tái)的調(diào)節(jié)作用，不僅能夠產(chǎn)生豎直方向上的微小力值，還能在水平方向及其它非豎直 方向產(chǎn)生微小力值，具有極大的靈活性且精度較高；采用了新型非接觸式結(jié)構(gòu)的非接觸式 微力發(fā)生器，在檢測校準(zhǔn)時(shí)，兩極板并不接觸，有一個(gè)緩沖的空間，該非接觸式結(jié)構(gòu)可以有 效避免用力過大而造成的被檢裝置損壞或?qū)Ρ粰z裝置造成不可恢復(fù)的影響，更加可靠。進(jìn) 一步，非接觸式微力發(fā)生器采用新型的叉指狀結(jié)構(gòu)，極大地減小了極板間距離不確定度對 于微小力值的影響，不再需要傳統(tǒng)裝置的激光干涉儀來滿足極板間距離精確測量的要求， 結(jié)構(gòu)簡單，成本更低，且操作更簡便。進(jìn)一步，還設(shè)有位置調(diào)節(jié)裝置，能從X、Y和Z三個(gè)方向 對叉指微力發(fā)生器相鄰兩叉指間的位置和距離進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高了裝置的精度。
【附圖說明】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0022] 圖1為本實(shí)用新型一種高精度非接觸式三維微小力發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一叉指狀結(jié)構(gòu)的底部視圖；
[0024] 圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一叉指狀結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；
[0025] 圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例一輸入電壓