基于电磁补偿天平的微纳力值标准装置的性能研究.pdf

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1、第28卷第12期传感技术学报Vo1．28No．122015年12月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSDec．2015InvestigationonCharacteristicsofMicro-ManoNewtonForceStandardBasedonElectromagneticCompensationBalanceHUgang，JIANGjile，ZHANGZhimin，ZHANGrue(NationalInstituteofMetrology，Beijing100029，Chi

2、na)Abstract：Amicro．nanoNewtonforcestandardbasedonanelectromagneticcompensationbalancewasdeveloped．Thestandardweightswithhighgradesareusedtocalibratethebalance．Asaresult，therealizedforceofthemicro．nanoNewtonforcestandardiStracedtotheInternationalSystemofUnits(SI)

3、．Thestandarduncertaintyofforcemea．surementintherangeof500nN一500¨Nisbetterthan0．7％．TheforcestandardisappliedtoaccuratetraceabilityforspringconstantofcantileversinAtomicForceMicroscope(AFM)andforceofsmallforoetransducers．Theposi—tionandpitchangelofthecantileversor

4、transducerstobecalibratedareadjustedbyapositioningadjustmentsys—temwithmuhi-degreeof~eedomtoimprovetheaccuracyofpositioning．SeveralAFMcantileverswithdifferentspringconstantswerecalibratedusingthisstandard．Thestandarddeviationsofthemeasurementresultsarebetterthan

5、1．6％．meettherequirementsforhighaccuracysmallforcemeasurement．Keywords：forcemetrology；micro-nanoNewtonforcestandard；electromagneticcompensationbalance；nano-position--ingstage；canti1evers；f0rcetransducersEEACC-7130；7210Xdoi：lO．3969~．issn．1004-1699．2015．12．008基于电磁补

6、偿天平的微纳力值标准装置的性能研究胡刚，蒋继乐，张智敏，张跃(中国计量科学研究院，北京100029)摘要：采用基于电磁补偿原理的精密天平，研制了一种微纳力值标准装置。通过高等级的标准砝码对天平进行校准，实现标准装置力值的sI溯源，在500nN～500IxN范围的力值测量标准不确定度小于0．7％。该装置用于对原子力显微镜(AFM)微悬臂弹性常数和微小力值传感器的力值提供准确的溯源。采用多自由度位置调整系统调整被测微悬臂或传感器的位置及俯仰角度，提高了定位准确度。对几种不同弹性常数的AFM微悬臂进行测量，测量结果的标准偏差

7、小于1．6％，满足高准确度微小力值测量的要求。关键词：力值计量；微纳力值标准装置；电磁补偿天平；纳米微动台；微悬臂；力传感器中图分类号：TH71；TH823文献标识码：A文章编号：1004-1699(2015)12-1779-06随着纳米技术的不断发展，新材料、微电子、生力、DNA分子拉伸强度等研究工作中，最小可达皮物等领域对微小力值计量的需求越来越大。基于牛量级(pN)的细胞、分子问的作用力也会对各种复微机电系统(MEMS)技术的微力传感器作为一种重杂的生物反应过程产生影响口]。要的测试工具，广泛应用于微机器人系统、

8、微操作在各种应用领域的材料或器件纳米力学性能及微装配系统、微摩擦学研究、生物力学研究、微小测量过程中，通常采用原子力显微术和纳米压痕法植入式外科、单细胞操作、扫描探针显微镜(SPM)系2种方法，通过测量其变形(或压痕深度)及相应力统等领域⋯。薄膜作为MEMS和微电子器件中应用值，得到其弹性模量、硬度等机械力学特性]。基于最多的材料