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申请/专利权人：合肥工业大学

摘要：本发明公开了一种三维微摩擦力和粘附力的测量装置，包括减震基座、宏动位移台、支架I、微动位移台、支架II，通过宏动位移台和微动位移台能够对悬臂进行三维方向上的弹性系数标定，支架I的内侧设置有固定相机和四象限光电探测器；支架II的内侧设置有悬臂，悬臂前端设置有探针，微动位移台上设置有载物台和单轴微力传感器，悬臂上方的支架II内侧设置有激光器。本发明还公开了一种三维微摩擦力和粘附力的测量方法。本发明较好的解决了传统粘附力和摩擦力测量装置无法对三维条件下的粘附力和摩擦力进行测量的技术瓶颈，能够对深孔等更为复杂的表面结构进行力学测量，具有测量分辨率高、灵敏度性能好等优点。

主权项：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11Z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11Z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。

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