微小力值測量及溯源理論與方法研究.pdf

1、在微納計量領域，微小力值的測試技術廣泛應用于生物醫(yī)藥、新材料、微電子等多個領域。建立高準確度的微納計量基標準可以保證微納技術領域快速可持續(xù)發(fā)展。本文的研究目標是通過建立高準確度計量標準、采用適當?shù)牧恐祩鬟f途徑和方法，實現(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方法復現(xiàn)，通過電學量、幾何量的精確測量實現(xiàn)微小力值的傳遞。由于微小力值易受到環(huán)境干擾，因此本文重點研究了微小力值測

2、量過程中抗干擾技術，并探索了基于懸臂梁剛度的力值標準傳遞方案，完成了理論分析和實驗驗證。
　　本文的主要工作如下：
　　1.系統(tǒng)分析了國內外在微納力值計量領域的研究現(xiàn)狀，搭建了力值測量與溯源標準裝置，搭建了dC/dz測量模塊、內電極平衡位置監(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。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％；分析了導致電容梯度不確定的來源以及相應的解決方案。將靜電力與標準質量比對，

4、通過對實驗結果進行分析，得出導致測量分散性的固定誤差來源以及與質量大小相關的誤差。并對實驗結果進行不確定度分析，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。實驗結果表明，測量結果的合成誤差小于2%。
　　4.探索了基于微力標準裝置的力值標準傳遞技術。分析原子力顯微鏡懸臂梁作為微力傳感器在力學特性上的優(yōu)勢，采用標定懸臂梁剛度的方法進行力值標準傳遞。提出一種基于振動的快速、可靠的方法，準確地確