微小力值測量及溯源理論與方法研究.pdf

1、在微納計(jì)量領(lǐng)域，微小力值的測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、新材料、微電子等多個領(lǐng)域。建立高準(zhǔn)確度的微納計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)可以保證微納技術(shù)領(lǐng)域快速可持續(xù)發(fā)展。本文的研究目標(biāo)是通過建立高準(zhǔn)確度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、采用適當(dāng)?shù)牧恐祩鬟f途徑和方法，實(shí)現(xiàn)微納力值的SI（International System of Units）溯源。微小力值裝置可以采用電學(xué)方法復(fù)現(xiàn)，通過電學(xué)量、幾何量的精確測量實(shí)現(xiàn)微小力值的傳遞。由于微小力值易受到環(huán)境干擾，因此本文重點(diǎn)研究了微小力值測

2、量過程中抗干擾技術(shù)，并探索了基于懸臂梁剛度的力值標(biāo)準(zhǔn)傳遞方案，完成了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文的主要工作如下：
　　1.系統(tǒng)分析了國內(nèi)外在微納力值計(jì)量領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，搭建了力值測量與溯源標(biāo)準(zhǔn)裝置，搭建了dC/dz測量模塊、內(nèi)電極平衡位置監(jiān)測模塊和誤差校正、濾波算法。
　　2.討論了微小力值測量過程中抗干擾技術(shù)。分別研究了地面振動、空氣擾動、電磁干擾、彈性支撐的熱噪聲對微納力值的影響。采用空氣阻尼方案減小了地面振動的

3、影響，系統(tǒng)的阻尼比由0.0005增加至0.1，從而增大了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度及抗振性能，使得位移輸出的均方差由原來的1μm降低到0.1μm。電磁屏蔽減小了電磁干擾對電容值的影響。提出采用牛頓差商法來減小彈性支撐熱噪聲對微小力值測量的影響。
　　3.完成了電容梯度測試，測量結(jié)果的均值為0.9269 pF/mm，方差為0.0006 pF/mm，相對方差為0.067％；分析了導(dǎo)致電容梯度不確定的來源以及相應(yīng)的解決方案。將靜電力與標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量比對，

4、通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出導(dǎo)致測量分散性的固定誤差來源以及與質(zhì)量大小相關(guān)的誤差。并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，包括地面振動、空氣擾動等 A類不確定度和電容梯度、電壓源、激光尺等引起的B類不確定度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量結(jié)果的合成誤差小于2%。
　　4.探索了基于微力標(biāo)準(zhǔn)裝置的力值標(biāo)準(zhǔn)傳遞技術(shù)。分析原子力顯微鏡懸臂梁作為微力傳感器在力學(xué)特性上的優(yōu)勢，采用標(biāo)定懸臂梁剛度的方法進(jìn)行力值標(biāo)準(zhǔn)傳遞。提出一種基于振動的快速、可靠的方法，準(zhǔn)確地確