微小構件摩擦力測試裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于兩種介質間的摩擦力測量技術領域，設及到微機械系統，具體設及一 種微小構件摩擦力測試裝置。
【背景技術】
[0002] 近年來，機械產品及零部件的微小型化已經發展成為一種全球化趨勢，相對于傳 統機械而言，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 影響微系統中構件的運動平穩性，損耗系統工作能量，甚至影響整體微機械結構的性能和 壽命。一方面，微機械不能從外部連續獲得較大能量，而微構件間的摩擦阻力不僅影響其運 動平穩性，還會損耗大量能量，因此在微機械設計中要盡量減小摩擦力，降低摩擦損耗，甚 至實現零摩擦；另一方面，在一些特殊功能的微機械系統構件中，反而利用摩擦力作為牽引 力或驅動力，此時則要求摩擦力具有穩定的數值而且可W在線調整與實時控制。因此需要 研究微觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題，測試兩種不同介質之間的摩擦力的 系統裝置具有十分重要的意義。
【發明內容】
[0003] 為了克服現有技術的不足，本發明提供一種微小構件摩擦力測試裝置，測試裝置 能夠同時測量微小正壓力和切向摩擦力，便于研究正壓力和摩擦力的變化關系，分析摩擦 系數。
[0004] 本發明的技術方案是：一種微小構件摩擦力測試裝置，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信號處理器，所述傳感器包括X方 向電容單元組和Y方向電容單元組，所述X方向電容單元組和Y方向電容單元組均包括電 容單元模塊，所述電容單元模塊是由兩個W上的條狀電容單元組成的梳齒狀結構，每個條 狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極，所述電容單元模塊包括由兩個W 上寬度a。長度b。的條狀電容單元組成的第一條狀電容單元組和兩個W上寬度ka。長度b。 的條狀電容單元組成的第二條狀電容單元組。
[0005] 微小構件摩擦力測試裝置的傳感器陣列上設置了一層柔性薄膜，柔性薄膜與水平 工作臺固定。所述每個條狀電容單元的驅動電極和感應電極寬度相同，驅動電極的長度大 于感應電極長度，驅動電極長度兩端分別預留左差位Sg和右差位5t，bMg=bus+5^ + 5g，其中，為條狀電容單元的驅動電極長度，b。為條狀電容單元的感應電極長度。所 述差位Sg= 5^，且S,,其中d。為條狀電容單元介質厚度，G為彈性介質的抗 剪模量，最大應力值。所述梳齒狀結構包括20個W上條狀電容單元、與條狀電容單 元一一對應連接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設有電極間距Be。所述平行板面積S= M(a"+2aS+ka。)V2，其中，M為條狀電容單元數量，b。為條狀電容單元的長度，a。條狀電容單 元的寬度。所述第一條狀電容單元組和第二條狀電容單元組的條狀電容單元引線通過并聯 或者獨立連接到傳感系統信號處理器。所述條狀電容單元的寬度3d=^，其中，d。為介質 厚度，E為彈性介質的楊氏模量，G為彈性介質的抗剪模量。所述第一條狀電容單元組和第 二條狀電容單元組與傳感系統信號處理器之間分別設有中間變換器，中間變換器用于設置 電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數。
[0006] 本發明有如下積極效果；本發明的微小構件摩擦力測試裝置，可W準確獲取兩種 不同介質之間的摩擦力，滿足微機械設及過程中，對零構件零摩擦或者具有穩定數值的摩 擦力的要求，對研究微觀摩擦、磨損的機理及摩擦力的主動控制問題具有重要意義。另外， 本發明的電容壓力傳感器有效使用平板面積，并且通過驅動電極兩端預留等方式有效解決 =維力間禪合，并利用特殊的條狀電容結構，使法向與切向轉換都達到較高的線性、精度與 靈敏度。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元及其坐標系。
[000引圖2是本發明的【具體實施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發明的【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是本發明的【具體實施方式】的寬度為a。和ka。的電容對受力偏移圖。
[0012] 圖6是本發明的【具體實施方式】的平行板=維力壓力傳感器結構圖。
[0013] 圖7是本發明的【具體實施方式】的單元電容對的信號示意圖。
[0014] 圖8為本發明【具體實施方式】微小摩擦力測試裝置結構圖。
[0015] 圖9為本發明【具體實施方式】摩擦力測試裝置傳感器位置布置圖。
[0016] 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】
[0017] 下面對照附圖，通過對實施例的描述，本發明的【具體實施方式】如所設及的各構件 的形狀、構造、各部分之間的相互位置及連接關系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進一步詳細的說明，W幫助本領域技術人員對本發明的發明構思、技術 方案有更完整、準確和深入的理解。
[0018] 本發明的主要思路是；對于運動的微機電系統來說，由于微型機械的運動構件十 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的 牽引力或驅動力，此時則要求摩擦力具有穩定的數值并能夠主動控制。因此需要研究微觀 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，關鍵的是對構件的摩擦系數 的測量。
[0019] 如圖8所示，為本發明的微小摩擦力測試裝置的結構圖，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上設有二 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 置上二維力傳感器陣列，如圖9,每個傳感器之間空有間隔，在傳感器陣列上設置一層柔性 薄膜。
[0020] 本發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，該 就對被測樣品2的水平度要求很高，該里可W采用反饋調節的方式避免水平工作臺不平整 導致的重力分力干擾，最后影響摩擦力和摩擦系數的求解。首先，粗調整水平工作臺，然后 開始讀取傳感器的讀數，如果水平工作臺不平整，則傳感器測得的橫向摩擦力不為零。通過 該一信號反饋，就可W實現對水平工作臺的微調。
[0021] 調整好水平工作臺后，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W通過傳感器前后讀取到的法向的 力差值得到，該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 現法向載荷的恒定。通過移動水平工作臺，記錄下該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系曲線。理論上，摩擦力和法向的載荷力的關系曲 線應該是一條直線，斜率是摩擦系數，通過曲線擬合方法，求解出摩擦系數。具體的，傳感器 陣列的每個傳感器都對應了 一個切向的摩擦力和法向的載荷力，通過該個關系可W求得傳 感器所對應的單位面積上的摩擦系數，可W通過該個摩擦系數來判斷被測樣品2的整體光 滑度。
[0022] W下詳述本發明的S向力傳感器的測量原理；如圖4-6為本發明壓力傳感器的極 板結構圖，傳感器包括X方向電容單元組和Y方向電容單元組，所述X方向電容單元組和Y 方向電容單元組均包括電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個W上的條狀電容單元 組成的梳齒狀結構，每個條狀電容單元包括上極板的驅動電極和下極板的感應電極。所述 電容單元模塊包括由兩個W上寬度a。長度b。條狀電容單元組成的第一條狀電容單元組和 兩個W上寬度ka。長度b。條狀電容單元組成的第二條狀電容單元組。所述每個條狀電容單 元的驅動電極和感應電極寬度相