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专利号: 202210735203X
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
联系人

摘要:

权利要求书:

1.一种三维微摩擦力和粘附力的测量方法,其特征在于,具体包括如下步骤:

S1、悬臂X方向的弹性系数标定:

将单轴微力传感器(17)通过固定支架(16)固定在载物台(13)上,通过改变单轴微力传感器(17)的固定方向,使其后期能够与探针(15)在X方向上形成接触,从而实现在X方向上的微力进行测量;再通过控制宏动位移台(2)中的XY向宏动位移台在X方向上进行位移的粗调,并通过相机(6)观察探针(15)与单轴微力传感器(17)之间的接触情况,当探针(15)与单轴微力传感器(17)之间充分接近之后,再控制微动位移台(4)中的XY向微动位移台对单轴微力传感器(17)与探针(15)之间的相对位置进行细微调整,并通过微动位移台(4)中的XY向微动位移台控制单轴微力传感器(17)与探针(15)在X方向上进行力学接触行为,并记录计算单轴微力传感器(17)的输出值,以及在单轴微力传感器(17)与探针(15)接触后的XY向微动位移台在X向上的位移;通过计算单轴微力传感器(17)的输出值与XY向微动位移台在X向上的位移的比值,即可得到悬臂(11)在X向的弹性系数kX;

S2、悬臂Y方向的弹性系数标定:

原理同S1相同,通过改变单轴微力传感器(17)的固定方向,使其后期能够与探针(15)在Y方向上形成接触;通过控制XY向宏动位移台在Y方向上进行位移的粗调,再控制XY向微动位移台对单轴微力传感器(17)与探针(15)之间的相对位置进行细微调整,记录单轴微力传感器(17)的输出值,以及在单轴微力传感器(17)与探针(15)接触后的XY向微动位移台在Y向上的位移;通过计算单轴微力传感器(17)的输出值与XY向微动位移台在Y向上的位移的比值,即可得到悬臂(11)在Y向的弹性系数kY;

S3、悬臂Z方向的弹性系数标定:

原理同S1相同,通过改变单轴微力传感器(17)的固定方向,使其后期能够与探针(15)在Z方向上形成接触;通过控制Z向宏动位移台在Z方向上进行位移的粗调,再控制Z向微动位移台对单轴微力传感器(17)与探针(15)之间的相对位置进行细微调整,记录单轴微力传感器(17)的输出值,以及在单轴微力传感器(17)与探针(15)接触后的Z向微动位移台在Z向上的位移;通过计算单轴微力传感器(17)的输出值与Z向微动位移台在Z向上的位移的比值,即可得到悬臂(11)在Z向的弹性系数kZ;

S4、被测样品在Z方向的摩擦力测量:

将单轴微力传感器(17)及固定支架(16)从载物台(13)上去除,再将被测样品(14)置于载物台(13)上;通过宏动位移台(2)对被测样品(14)在X、Y轴方向上进行粗调,观察被测样品(14)上设置的微孔位置,当被测样品(14)微孔位置位于探针(15)正下方时,控制宏动位移台(2)对被测样品(14)的Z向方向上位置进行粗调;当探针(15)的微球进入微孔时,控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行X或Y向上的微调,当四象限光电探测器(8)所接收的光路信号发生变化时,探针(15)与被测样品(14)微孔壁发生接触,继续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行X或Y向上的微调,此过程所产生的触发力为摩擦过程中的法向力;停止X或Y向的位移,记录微动位移台(4)此时的Z向上的坐标Z0,再控制微动位移台(4)使被测样品(14)进行Z向位移,此时四象限光电探测器(8)的输出会产生变化,持续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行Z向摩擦过程,直到四象限光电探测器(8)的输出不再变化,记录此时微动位移台(4)的Z向上的坐标Z1,此时相对位移量Z1-Z0即为Z向摩擦过程中在摩擦力的作用下悬臂(11)发生的形变,悬臂(11)相对位移量Z1-Z0与悬臂(11)Z向上的弹性系数kz的乘积即为所测Z方向上的摩擦力大小;

S5、被测样品在X或Y方向的摩擦力测量:

通过宏动位移台(2)对被测样品(14)的X、Y向方向上的位置进行粗调,使用相机(6)观察被测样品(14)与探针(15)的相互位置,当被测样品(14)位置位于探针(15)正下方时,控制宏动位移台(2)对被测样品(14)在Z向方向上的位置进行粗调,当探针(15)即将接触被测样品(14)表面时,控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行Z向上的微调;当四象限光电探测器(8)所接收的光路信号发生变化时,探针(15)与被测样品(14)表面发生接触,继续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行Z向上的微调,此过程所产生的触发力为摩擦过程中的法向力;停止Z向的位移,记录微动位移台(4)此时的X或Y向上的坐标X0或Y0,再控制微动位移台(4)使被测样品(14)进行X或Y向位移,此时四象限光电探测器(8)的输出会产生变化,持续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行X或Y向摩擦过程,直到四象限光电探测器(8)的输出不再变化,记录此时微动位移台(4)的X或Y向上的坐标X1或Y1,此时X或Y向上的相对位移量X1‑X0或Y1‑Y0,即为X或Y向摩擦过程中在摩擦力的作用下悬臂(11)发生的形变,悬臂(11)形变量X1‑X0或Y1‑Y0与悬臂(11)在X或Y向上的对应的弹性系数kx或ky的乘积,即为所测X或Y方向上的摩擦力大小;

S6、被测样品在Z方向的粘附力测量:

首先记录四象限光电探测器(8)的输出值V0,再通过宏动位移台(2)对被测样品(14)的X、Y向位置进行粗调,使用相机(6)观察被测样品(14)与探针(15)相互位置,当被测样品(14)位置位于探针(15)正下方时,控制宏动位移台(2)对被测样品(14)的Z向位置进行粗调,当探针(15)即将接触被测样品(14)表面时,控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行Z向上的微调;当四象限光电探测器(8)所接收的光路信号发生变化时,探针(15)与被测样品(14)表面发生接触,继续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行Z向上的微调,此过程所产生的触发力为黏附过程中的载荷;停止Z向的位移,记录微动位移台(4)此时的Z向上的坐标Z0,再控制微动位移台(4)使被测样品(14)沿Z向方向上原路返回,此过程由于黏附力的作用会导致四象限光电探测器(8)的输出产生变化,持续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行Z向粘附过程,直到四象限光电探测器(8)的输出回到V0,记录此时微动位移台(4)的Z向上的坐标Z1,此时相对位移量Z1‑Z0即为Z向粘附过程中在粘附力的作用下的悬臂(11)发生的形变大小;悬臂(11)形变量Z1‑Z0与悬臂(11)Z向上的弹性系数kz的乘积即为所测Z方向上的粘附力大小;

S7、被测样品在X或Y方向的粘附力测量:

首先记录四象限光电探测器(8)的输出V0,再通过宏动位移台(2)对被测样品(14)的X、Y轴位置进行粗调,使用相机(6)观察被测样品(14)的微孔位置,当被测样品(14)微孔位置位于探针(15)正下方时,控制宏动位移台(2)对被测样品(14)的Z向位置进行粗调;当探针(15)的微球进入被测样品(14)的微孔时,控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行X或Y向上的微调,当四象限光电探测器(8)所接收的光路信号发生变化时,探针(15)与被测样品(14)微孔壁发生接触,继续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行X或Y向上的微调,此过程所产生的触发力为粘附过程中的载荷;停止X或Y向的位移,记录微动位移台(4)此时的X或Y向坐标X0或Y0,再控制微动位移台(4)使被测样品(14)沿X或Y向方向上原路返回,此过程由于粘附力的作用会导致四象限光电探测器(8)的输出产生变化;持续控制微动位移台(4)对被测样品(14)进行X或Y向粘附过程,直到四象限光电探测器(8)的输出回到V0,记录此时微动位移台(4)的X或Y向上的坐标X1或Y1,此时相对位移量X1-X0或Y1‑Y0即为X或Y向粘附过程中在粘附力的作用下悬臂(11)发生的形变;悬臂(11)形变量X1‑X0或Y1‑Y0与悬臂(11)在X或Y向上的弹性系数kx或ky的乘积,即为所测X或Y向方向上的粘附力大小。

2.一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置,应用于权利要求1所述的三维微摩擦力和粘附力的测量方法中,其特征在于,包括减震基座(1)、宏动位移台(2)、支架I(3)、微动位移台(4)、支架II(12),所述宏动位移台(2)设置在减震基座(1)上,所述微动位移台(4)安装在宏动位移台(2)上,所述宏动位移台(2)、微动位移台(4)能够在XYZ三维方向上分别进行位移的粗调和微调;所述支架I(3)、支架II(12)分别设置在宏动位移台(2)两侧的减震基座(1)上,所述支架I(3)的内侧设置有固定相机(6)和四象限光电探测器(8),所述四象限光电探测器(8)设置在固定相机(6)的上方;所述支架II(12)的内侧设置有悬臂(11),所述悬臂(11)前端下方设置有探针(15),所述微动位移台(4)上设置有载物台(13),所述载物台(13)设置在探针(15)的下方,所述载物台(13)上设置有单轴微力传感器(17);所述悬臂(11)上方的支架II(12)内侧设置有激光器(9),所述激光器(9)发射的激光经悬臂(11)反弹后能够被四象限光电探测器(8)接收。

3.根据权利要求2所述一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置,其特征在于,所述宏动位移台(2)由XY向宏动位移台和Z向宏动位移台叠加组成,所述微动位移台(4)由XY向微动位移台和Z向微动位移台叠加组成,所述XY向宏动位移台、Z向宏动位移台、XY向微动位移台、Z向微动位移台均为用于纳米定位的具有压电陶瓷系统的纳米定位器,能够给载物台(13)提供在X方向、Y方向、Z方向上的位移的调节。

4.根据权利要求2所述一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置,其特征在于,所述固定相机(6)通过可伸缩杆I(5)安装在支架I(3)上,且所述固定相机(6)正对着载物台(13)方向设置;所述四象限光电探测器(8)通过支杆(7)安装在支架I(3)上内侧。

5.根据权利要求2所述一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置,其特征在于,所述激光器(9)通过可伸缩杆II(10)安装在支架II(12)上。

6.根据权利要求2所述一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置,其特征在于,所述单轴微力传感器(17)通过固定支架(16)安装在载物台(13)上。

7.根据权利要求2所述一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置,其特征在于,所述探针(15)由测杆以及安装在测杆下端的球形测球组成,所述球形测球的直径大于测杆的直径。