微小构件摩擦力测试装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于两种介质间的摩擦力测量技术领域，设及到微机械系统，具体设 及一种微小构件摩擦力测试装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，机械产品及零部件的微小型化已经发展成为一种全球化趋势，相对于传 统机械而言，微机械中的摩擦磨损问题及其机理成为科研的热点之一。微摩擦磨损的存在 影响微系统中构件的运动平稳性，损耗系统工作能量，甚至影响整体微机械结构的性能和 寿命。一方面，微机械不能从外部连续获得较大能量，而微构件间的摩擦阻力不仅影响其 运动平稳性，还会损耗大量能量，因此在微机械设计中要尽量减小摩擦力，降低摩擦损 耗，甚至实现零摩擦；另一方面，在一些特殊功能的微机械系统构件中，反而利用摩擦力 作为牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且可W在线调整与实时控制。 因此需要研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，测试两种不同介质之间的 摩擦力的系统装置具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种微小构件摩擦力测试装置，测试 装置能够同时测量微小正压力和切向摩擦力，便于研究正压力和摩擦力的变化关系，分析 摩擦系数。
[0004] 本实用新型的技术方案是：一种微小构件摩擦力测试装置，包括法向载荷加载装 置，水平工作台、传感器和传感系统信号处理器，传感器组成阵列均匀布置在水平工作台 上，法向载荷加载装置向水平工作台上的被测样品施加法向作用力，水平工作台作直线运 动，传感器采集法向作用力和水平摩擦力信号并传送给传感系统信号处理器，所述传感器 包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均 包括电容单元模块，所述电容单元模块是由两个W上的条状电容单元组成的梳齿状结构， 每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述电容单元模块包括由 两个W上宽度a。长度b。的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个W上宽度ka。长 度b。的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。
[0005] 微小构件摩擦力测试装置的传感器阵列上设置了一层柔性薄膜，柔性薄膜与水 平工作台固定。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度 大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位5^和右差位5$，b。驱=6。感+ 5右 + 5t，其中，bu9g为条状电容单元的驱动电极长度，bug为条状电容单元的感应电极长度。所 述差位5^= 5$，且咬其中d。为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗 剪模量，Tm。、为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个W上条状电容单元、与条状电容单 元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距ae。所述平行板面积S= M(曰。+2曰s+ka。)V2，其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单 元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联 或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度a〇. = ^:，其中，d。为介 质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述第一条状电容单元组和 第二条状电容单元组与传感系统信号处理器之间分别设有中间变换器，中间变换器用于设 置电压对电容或频率对电容的传输系数。所述传感系统信号处理器包括多路信号高速切换 电路、A/D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括=级切换电路，前一级切换电路的 输出为下一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。
[0006] 本实用新型有如下积极效果：本实用新型的微小构件摩擦力测试装置，可W准确 获取两种不同介质之间的摩擦力，满足微机械设及过程中，对零构件零摩擦或者具有稳定 数值的摩擦力的要求，对研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题具有重要意 义。另外，本实用新型的电容压力传感器有效使用平板面积，并且通过驱动电极两端预留等 方式有效解决=维力间禪合，并利用特殊的条状电容结构，使法向与切向转换都达到较高 的线性、精度与灵敏度。
【附图说明】
[0007] 图1是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本实用新型的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011] 图5是本实用新型的【具体实施方式】的宽度为曰。和ka。的电容对受力偏移图。
[0012] 图6是本实用新型的【具体实施方式】的平行板=维力压力传感器结构图。
[0013] 图7是本实用新型的【具体实施方式】的单元电容对的信号示意图。
[0014] 图8为本实用新型【具体实施方式】微小摩擦力测试装置结构图。
[0015] 图9为本实用新型【具体实施方式】摩擦力测试装置传感器位置布置图。
[0016] 其中，1法向载荷加载装置，2被测样品，3水平工作台。
【具体实施方式】
[0017] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本实用新型的【具体实施方式】如所设及的各 构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工 艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，W帮助本领域技术人员对本实用新型的发明 构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0018] 本实用新型的主要思路是：对于运动的微机电系统来说，由于微型机械的运动构 件十分微小，作用于其表面的摩擦力和润滑粘滞力对整个系统性能的影响比体积力要大 很多，携带的动力源又有限，需要研究减小摩擦阻力的方法；另一方面，摩擦力往往又是 微系统的牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值并能够主动控制。因此需要 研究微观摩擦、磨损的机理及摩擦力的主动控制问题，对摩擦力的分析，关键的是对构件的 摩擦系数的测量。
[0019] 如图8所示，为本实用新型的微小摩擦力测试装置的结构图，该装置主要包括法 向载荷加载装置1，水平工作台3,将被测样品2放置在水平工作台3上，水平工作台3上设 有二维力测量装置，能够测量同一时刻的法向载荷力和横向摩擦力。在水平工作台上均匀 的布置上二维力传感器阵列，如图9,每个传感器之间空有间隔，在传感器阵列上设置一层 柔性薄膜。
[0020] 本实用新型仪器的工作过程是：将被测样品放置在柔性薄膜上，由于法向载荷很 小，运就对被测样品2的水平度要求很高，运里可W采用反馈调节的方式避免水平工作台 不平整导致的重力分力干扰，最后影响摩擦力和摩擦系数的求解。首先，粗调整水平工作 台，然后开始读取传感器的读数，如果水平工作台不平整，则传感器测得的横向摩擦力不为 零。通过运一信号反馈，就可W实现对水平工作台的微调。
[0021] 调整好水平工作台后，将法向载荷加载装置沿法向移动，使法向载荷加载装置的 探针接触到被测样品，给被测样品一个法向的压力，可W通过传感器前后读取到的法向的 力差值得到，运里需要考虑到被测样品的重力。保持法向载荷加载装置1的位置不变，可实 现法向载荷的恒定。通过移动水平工作台，记录下运一过程中法向载荷力和横向摩擦力， 可获得切向的摩擦力和法向的载荷力的关系曲线。理论上，摩擦力和法向的载荷力的关系 曲线应该是一条直线，斜率是摩擦系数，通过曲线拟合方法，求解出摩擦系数。具体的，传感 器阵列的每个传感器都对应了 一个切向的摩擦力和法向的载荷力，通过运个关系可W求得 传感器所对应的单位面积上的摩擦系数，可W通过运个摩擦系数来判断被测样品2的整体 光滑度。
[0022] W下详述本实用新型的S向力传感器的测量原理：如图4-6为本实用新型压力传 感器的极板结构图，传感器包括X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单 元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个W上的条状 电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应