CN105865320B - 位移、力的产生和测量***及压痕、划伤和表面轮廓仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种位移、力的产生和测量***及压痕、划伤和表面轮廓仪，该***是基于压电陶瓷产生纳米级位移、且基于双单极电容差分结构进行微牛级力测量、及纳米级位移测量的***，其包括压电陶瓷位移驱动器、位移传感器、正向力传感器和探针，上述传感器均采用电容设置方向沿设定方向的双单极电容差分结构；压电陶瓷位移驱动器被设置为沿设定方向输出对应位移驱动信号的位移量，并将位移量传递至位移传感器的目标件上，位移传感器被设置为再将位移量传递至正向力传感器上，探针沿设定方向与正向力传感器的目标件固定连接。本发明***及采用该***的压痕、划伤和表面轮廓仪具有动态性能好、测量灵敏度大、及制造简便和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及力和位移测量控制技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于压电陶瓷产生纳米级位移、且基于双单极电容差分结构进行微牛级力测量、及纳米级位移测量的***，及具有该种***的压痕仪、划伤仪和表面轮廓仪。
背景技术
压痕仪、划伤仪、表面轮廓仪被广泛地应用于材料物理性能的研究及新材料的研发，而这些仪器的核心结构组成便是能够进行微牛级力的产生和测量、及纳米级位移的产生和测量的***，现有的该种***普遍存在机械结构复杂、体积和重量较大，进而导致整个***动态性能较差的问题。
发明内容
本发明实施例的第一个目的是提供一种进行具有较高动态性能的位移、力的产生和测量***。
根据本发明的第一方面，提供了一种位移、力的产生和测量***，其是基于压电陶瓷产生纳米级位移、且基于双单极电容差分结构进行微牛级力测量及纳米级位移测量的***，所述双单极电容差分结构包括一个目标件、两个感应件和至少一个弹性悬臂，所述两个感应件在电容设置方向上分设在所述目标件的两侧、且各自与所述目标件组成一个单极电容，每一所述弹性悬臂的第一端与所述目标件连接、第二端相对所述两个感应件固定，所述双单极电容差分结构被设置为在所述目标件相对所述两个感应件沿所述电容设置方向运动时产生差分信号；
所述***包括压电陶瓷位移驱动器、位移传感器、正向力传感器和探针，所述位移传感器和所述正向力传感器均采用电容设置方向沿设定方向的双单极电容差分结构；所述压电陶瓷位移驱动器和所述位移传感器均相对架体固定，所述压电陶瓷位移驱动器被设置为沿所述设定方向输出对应位移驱动信号的位移量，并将所述位移量传递至所述位移传感器的目标件上，所述位移传感器被设置为再将所述位移量传递至所述正向力传感器上，所述探针沿所述设定方向与所述正向力传感器的目标件固定连接。
优选的是，所述压电陶瓷位移驱动器包括相对所述架体固定的座体、固定安装在所述座体上的压电陶瓷模组、及固定连接在所述座体上的机械放大臂，所述压电陶瓷模组被设置为沿所述设定方向产生对应所述位移驱动信号的变形量；所述机械放大臂设置有转轴方向垂直于所述设定方向的柔性铰链结构，且所述机械放大臂被设置为通过所述柔性铰链结构将所述变形量放大转换为对应所述位移驱动信号的位移量输出。
进一步优选的是，所述机械放大臂被设置为在放大臂本体上直接加工形成所述柔性铰链结构。
进一步优选的是，所述压电陶瓷位移驱动器被设置为通过球面与经由所述位移传感器的目标件引出的传导件点接触，以使所述压电陶瓷位移驱动器将所述位移量经由所述传导件传递至所述位移传感器的目标件上。
优选的是，所述压电陶瓷位移驱动器被设置为将所述位移量传递至所述位移传感器的目标件的重心上；所述位移传感器被设置为再将所述位移量传递至所述正向力传感器的重心上，其中，所述正向力传感器的重心与所述正向力传感器的目标件的重心重合；以及，所述探针的中心线通过所述正向力传感器的目标件的重心。
优选的是，所述探针的用于接触测试样品的尖端表面为半径大于或者等于2微米，小于或者等于10微米的球面。
优选的是，所述位移传感器设置有三个或者四个弹性悬臂，所述位移传感器的所有弹性悬臂在垂直于所述设定方向的平面上延伸、且在对应目标件的周向上均匀分布；及/或，所述正向力传感器设置有三个或者四个弹性悬臂，所述正向力传感器的所有弹性悬臂在垂直于所述设定方向的平面上延伸、且在对应目标件的周向上均匀分布。
优选的是，所述位移传感器的弹性悬臂在各自的第一端与各自的第二端之间弯曲延伸；及/或，所述正向力传感器的弹性悬臂在各自的第一端与各自的第二端之间弯曲延伸。
优选的是，所述正向力传感器的至少一个弹性悬臂为双层弹性悬臂，其中，所述双层弹性悬臂由在所述设定方向上平行、间隔、且对齐布置的两个弹性悬臂单体构成。
优选的是，所述正向力传感器的目标件为双层目标件，所述双层目标件包括在所述设定方向上相对布置的两个目标件单体、及夹设在所述两个目标件单体之间的中间支撑体，所述正向力传感器的两个传感件分别与所述双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体形成一个单极电容。
优选的是，所述测量***还包括用于测量所述探针与测试样品间的侧向力的侧向力传感器，所述侧向力传感器采用电容设置方向垂直于所述设定方向的双单极电容差分结构，所述侧向力传感器被设置为通过所述侧向力推动对应目标件在对应的电容设置方向上运动。
其中，一种可供选择的侧向力传感器的连接设置结构为：所述正向力传感器固定安装在所述侧向力传感器的目标件上，所述位移传感器被设置为再将所述位移量经由所述侧向力传感器传递至所述正向力传感器上，所述侧向力传感器被设置为使得所述侧向力通过所述探针和所述正向力传感器传递至所述侧向力传感器的目标件上。
进一步优选的是，所述侧向力传感器的目标件为双层目标件，所述双层目标件包括在对应的电容设置方向上相对布置的两个目标件单体、及夹设在所述两个目标件单体之间的中间支撑体，所述侧向力传感器的两个传感件分别与所述双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体形成一个单极电容；所述正向力传感器固定安装在所述中间支撑体上。
更进一步优选的是，所述中间支撑体设置有容置槽，所述正向力传感器固定安装在所述容置槽中。
进一步优选的是，所述侧向力传感器至少有一个弹性悬臂为双层弹性悬臂，其中，所述双层弹性悬臂由在对应的电容设置方向上平行、间隔、且对齐布置的两个弹性悬臂单体构成。
更进一步优选的是，所述侧向力传感器仅具有一个弹性悬臂，且所述侧向力传感器的弹性悬臂在所述设定方向上延伸。
再进一步优选的是，所述侧向力传感器的两个感应件设置在与各自相对应的感应件固定块上，所述侧向力传感器还具有在所述双层弹性悬臂的第二端夹设在两个弹性悬臂单体之间的隔离件，所述侧向力传感器通过使螺丝穿过每一所述感应件固定块、对应侧的弹性悬臂单体与所述隔离件螺纹配合连接的结构，将所述双层弹性悬臂的第二端相对所述侧向力传感器的两个感应件固定。
再进一步优选的是，每一所述目标件单体在所述双层弹性悬臂的第一端形成于对应侧的弹性悬臂单体的表面上。
另一种可供选择的侧向力传感器的连接设置结构为：所述侧向力传感器的目标件包括目标件本体和用于承载测试样品的承载板，所述承载板与所述目标件本体固定连接，且所述承载板垂直于所述设定方向设置，所述目标件本体平行于所述设定方向设置；所述侧向力传感器的两个传感件各自与所述目标件本体形成一个单极电容，所述侧向力传感器的每一弹性悬臂的第一端与所述承载板连接、第二端相对所述侧向力传感器的两个感应件固定。该种结构是探针通过测试样品将侧向力传递至侧向力传感器的目标件上；所述侧向力传感器被设置为使得所述侧向力通过测试样品传递至所述侧向力传感器的目标件上。
进一步优选的是，所述目标件本体为双层目标件，所述目标件本体包括在对应的电容设置方向上相对布置的两个目标件单体、及夹设在所述两个目标件单体之间的中间支撑体，所述侧向力传感器的两个传感件分别与所述双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体形成一个单极电容；所述承载板与所述中间支撑体固定连接。
进一步优选的是，所述侧向力传感器的弹性悬臂在垂直于所述设定方向的平面上弯曲延伸。
进一步优选的是，所述侧向力传感器的弹性悬臂在所述设定方向上的厚度大于所述承载板在所述设定方向上的厚度。
更进一步优选的是，所述侧向力传感器的弹性悬臂通过弯曲延伸形成至少一个U型结构，其中，所述U型结构的开口朝向垂直于所述设定方向及所述侧向力传感器的电容设置方向。
进一步优选的是，所述侧向力传感器被设置为通过对一块基板进行线切割加工形成所述承载板及对应的弹性悬臂。
本发明实施例的第二个目的是提供一种具有较高动态性能的压痕仪。
根据本发明的第二方面，提供了一种压痕仪，其包括上述位移、力的产生和测量***。
本发明实施例的第三个目的是提供一种具有较高动态性能的划伤仪。
根据本发明的第三方面，提供了一种划伤仪，其包括上述位移、力的产生和测量***，以及用于带动测试样品在垂直于设定方向的平面上移动的移动平台。
本发明实施例的第四个目的是提供一种具有较高动态性能的表面轮廓仪。
根据本发明的第四方面，提供了一种表面轮廓仪，其包括上述位移、力的产生和测量***，以及用于带动测试样品在垂直于设定方向的平面上移动的移动平台。
本发明的发明人发现，在现有技术中，材料分析和研究***因机械结构复杂、体积和重量较大而存在整个***动态性能较差的问题。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。
本发明的一个有益效果在于，本发明位移、力的产生和测量***是基于压电陶瓷产生纳米级位移、且基于双单极电容差分结构进行微牛级力测量及纳米级位移测量的测控***，由于双单极电容差分结构具有两个单极电容，其目标件作为单极电容的两电极之一，只要是导体并能通过相邻部件与输出信号处理装置的地线连接即可，而无需为目标件配置特定导线，这便可使作为运动件的目标件的体积和重量大大减小进而提高各传感器的动态性能。在此基础上，本发明位移、力的产生和测量***通过将压电陶瓷位移驱动器的目标件、正向力传感器、正向力传感器的目标件、及探针串联连接在一起的简单结构实现了力、位移的产生和测量，进而提升了整个***的动态性能。此外，本发明位移、力的产生和测量***是基于各传感器的双单极电容差分结构提供的差分信号进行测量，因此能够消除共模噪声而提高测量灵敏度。综上所述，本发明位移、力的产生和测量***及采用该种***的压痕仪、划伤仪和表面轮廓仪具有动态性能好、测量灵敏度大、及制造简便和成本低的优点。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为双单极电容差分结构的一种实施结构的分解结构示意图；
图2为双层目标件结合双层弹性悬臂的一种实施结构的示意图；
图3为根据本发明位移、力的产生和测量***的一种实施结构的示意图；
图4为图3所示位移、力的产生和测量***的主视示意图；
图5为图3所示位移、力的产生和测量***的分解结构示意图；
图6为压电陶瓷位移驱动器的一种实施结构的示意图；
图7为根据本发明位移、力的产生和测量***的另一种实施结构的示意图；
图8为图7所示位移、力的产生和测量***的主视示意图；
图9为图7和图8中侧向力传感器的主视示意图；
图10为根据本发明位移、力的产生和测量***的第三种实施结构的示意图；
图11为图10所示位移、力的产生和测量***的主视示意图；
图12为图11中侧向力传感器的俯视示意图；
图13为图11中侧向力传感器的仰视示意图；
图14为图13去除感应件固定块后的示意图；
图15为图14中C-C向剖视图；
图16为图13的俯视示意图；
图17为根据本发明压痕仪、划伤仪和表面轮廓仪的***原理图；
图18为图17所示压痕仪、划伤仪和表面轮廓仪的一种控制结构的方框原理图；
图19为图17所示压痕仪、划伤仪和表面轮廓仪的另一种控制结构的方框原理图；
图20a为力传感器的一种标定方式的拟合曲线；
图20b为位移传感器的一种标定方式的拟合曲线；
图21a为位移传感器在探针悬置情况下输出的差分信号；
图21b为力传感器在探针悬置情况下输出的差分信号；
图22为压痕实验中力传感器和位移传感器输出的差分信号；
图23为图3所示位移、力的产生和测量***的动态响应曲线。
附图标记说明：
1-压电陶瓷位移驱动器； 2-位移传感器；
3-正向力传感器； 4-探针；
5-架体； 61、62-侧向力传感器；
7-移动平台； M、2M、3M、61M、62M-目标件；
S、2S、3S、61S、62S-感应件； A、2A、3A、61A、62A-弹性悬臂；
M1、M2、61M1、61M2、62M1、62M2-目标件单体；
M3、61M3、62M3-中间支撑体； 62M4-承载板；
A1、A2、61A1、61A2-弹性悬臂单体； P1、P2-隔离件；
61M31-容置槽； 101-座体；
102-压电陶瓷模组； 103-机械放大臂；
1031-柔性铰链结构； 1032-机械放大臂的输入端；
1033-机械放大臂的输出端； 201-传导件；
6202-边框部分； 6101-感应件固定块；
6103-螺丝； 61P2-隔离件；
6203-基板； 6201-感应件固定块；
8-控制装置； 801-驱动信号输出模块；
803-输出信号处理模块； 9-显示装置；
10-计算机； 11-气浮台；
12-定位平台； 13-样品台；
14-显微成像装置； 15-龙门支架；
16-固定件； 17-位移、力的产生和测量***。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
本发明的位移、力的产生和测量***是基于压电陶瓷产生纳米级位移、且基于双单极电容差分结构进行微牛(μN)级力测量、及纳米级(nm)位移测量的***，该***根据其应用背景具体为一种材料分析和研究***，其中，微牛级力的产生和测量是指分辨率可达0.1微牛的力的产生和测量，纳米级位移的产生和测量是指分辨率为可达0.2纳米的位移的产生和测量，而分辨率具体是指能够被检出的被测信号的最小变化量。
图1示出了根据本发明的双单极电容差分结构的一种实施结构，该双单极电容差分结构包括一个目标件M、两个感应件S和至少一个弹性悬臂A，其中，两个感应件S在电容设置方向上分设在目标件M的两侧、且各自与目标件M组成一个单极电容，每一弹性悬臂A的第一端与目标件M连接、第二端相对两个感应件S固定，以将两个感应件S、目标件M和所有弹性悬臂A连接成为一个结构整体。各图中，如果感应件不可见，则通过S标识包覆在感应件外的屏蔽体指代感应件，该感应件S例如可以通过薄壁空心连接件与屏蔽体固定连接，而且还可以在屏蔽体上设置用于容置感应件S的容置槽，进而通过减小感应体与屏蔽体之间的接触面积降低不变电容，提高信号采样率和测量灵敏度。在进行弹性悬臂A的第二端相对两个感应件S的固定连接时，以将弹性悬臂A的第二端固定连接在屏蔽体上为例说明一种可供选择的连接结构，具体为：在弹性悬臂A的第二端与两个感应件S的屏蔽体之间各设置一个隔离件P1，以保证感应件S与目标件M之间的间距设置，而且这可以通过螺栓依次穿过一个感应件S的屏蔽体、一个隔离件P1、弹性悬臂A的第二端、另一个隔离件P1、及另一个感应件S的屏蔽体与螺母配合锁紧的连接结构，实现弹性悬臂A的第二端相对两个感应件S的固定。基于上述结构设置，该双单极电容差分结构在目标件M相对两个感应件S沿电容设置方向运动时将产生差分信号，具体为：在目标件M沿电容设置方向运动时，目标件M与两个感应件S间的距离将一个增大、一个减小，且增大与减小的量相当，进而产生能够反映目标件M在电容设置方向上的位移量的差分信号，这样，在将该差分信号输入至输出信号处理装置中时，便可根据该差分信号获得目标件M的位移量及与位移量相关的其它变量。
在上述双单极电容差分结构的基础上，如图3至图5所示，本发明***包括压电陶瓷位移驱动器1、位移传感器2、正向力传感器3和探针4，其中的位移传感器2和正向力传感器3均采用电容设置方向沿设定方向的双单极电容差分结构；压电陶瓷位移驱动器1和位移传感器2(具体为位移传感器2的结构整体)均相对架体5固定，压电陶瓷位移驱动器1被设置为沿设定方向输出对应位移驱动信号的位移量，并将位移量传递至位移传感器2的目标件2M上，以使目标件2M沿设定方向相对自身的初始位置(即位移传感器2的弹性悬臂2A处于自由状态的位置)移动该位移量，此时，位移传感器2的弹性悬臂2A将发生对应该位移量的弹性变形，这样，通过采集位移传感器2输出的差分信号便可获得该位移量，实现位移测量。而位移传感器2则被设置为再将该位移量传递至正向力传感器3(具体为正向力传感器3的结构整体)上，以使正向力传感器3的结构整体沿设定方向相对自身的初始位置(即对应弹性悬臂2A处于自由状态的位置)移动该位移量，探针4沿设定方向与正向力传感器3的目标件3M固定连接，这样，在探针4作用于测试样品上而受到测试样品的反作用力时，将通过探针4推动目标件3M相对对应的两个感应件3S沿设定方向的反方向运动，而且运动的位移量将正比于探针4与测试样品之间的作用力(该作用力为正向力或者称法向力)，这样，通过采集正向力传感器3输出的差分信号，便可获得决定目标件3M的位移量的作用力的大小，实现正向力测量。
由于本发明***是基于双单极电容差分结构形成各传感器，而双单极电容差分结构具有两个单极电容，其中的目标件作为单极电容的两电极之一，只要是导体并能通过相邻部件与输出信号处理装置的地线连接即可，无需为目标件配置特定导线，因此，这可以大大缩减作为运动件的目标件的体积和重量进而提高传感器的动态性能，这体现在采样率达到10KHz时仍能表现出优良的动态性能。在此基础上，本发明***通过将位移传感器2的目标件2M、正向力传感器3的结构整体、正向力传感器3的目标件3M、及探针4串联在一起的简单结构，形成了从压电陶瓷位移驱动器1至位移传感器2、再从位移传感器2至正向力传感器3、最后从正向力传感器3至探针4的位移产生传递路径，形成了从压电陶瓷位移驱动器1至位移传感器2的目标件2M的位移测量传递路径，及从压电陶瓷位移驱动器1至位移传感器2的目标件2M、从位移传感器2的目标件2M至正向力传感器3、从正向力传感器3至探针4、再从探针4至正向力传感器3的目标件3M的力测量传递路径，进而大大简化了整体结构而提升了整个***的动态性能。此外，本发明测量***是基于各传感器提供的差分信号进行测量，这能够通过消除共模噪声而提高测量灵敏度。所有这些使得本发明测量***具有动态性能好、测量灵敏度大、及制造简便和成本低的优点，进而保证本发明测量***能够真正以较低的成本实现纳米级位移的精确输出、及微牛级力及纳米级位移的准确测量。
另外，本发明***可以根据需要进行开环控制、位移反馈的闭环控制或者力反馈的闭环控制，这使得本发明测量***能够在各种测量应用中均获得有意义的测量结果，提升了测量***的兼容性，其中，该开环控制即为上述位移驱动信号仅取决于输入信号，该位移反馈的闭环控制即为上述位移驱动信号取决于输入信号和位移传感器2提供的反馈信号，该力反馈的闭环控制即为上述位移驱动信号取决于输入信号和正向力传感器3提供的反馈信号。根据上述压电陶瓷位移驱动器1的设置要求，其需要输出对应位移驱动信号的位移量，其需要产生纳米级位移，但由于压电陶瓷单体最大只能提供微纳米级的行程，因此，为了能够获得相对较大的纳米级行程，本发明提供了以下三种实施结构：
结构一：采用多块压电陶瓷单体形成压电陶瓷模组。
结构二：采用柔性铰链结构对压电陶瓷单体输出的位移进行机械放大。
结构三：采用压电陶瓷模组，并通过柔性铰链结构进行压电陶瓷模组输出的位移进行机械放大。
在实际应用中，可以根据对压电陶瓷位移驱动器1总行程(也即探头总行程)的要求、结合性能和成本选择合适的实施结构，其中，在总行程要求较大的应用中，例如总行程要求达到约100微米的应用中，优选采用上述结构三，因为在该种应用中，为了获得相同的总行程，采用结构一需要通过较多数量的压电陶瓷单体形成压电陶瓷模组，这会因驱动电流过大导致***的动态性能变差；采用结构二则需要对决定柔性铰链结构刚度的参数进行复杂的设计，以获得较大的放大倍数，这些参数包括柔性铰链结构的宽度、最小凹口厚度、切口半径、及材料的弹性模量等，造成实现难度及成本的大幅增加。
图6示出了一种可供选择的采用结构三的压电陶瓷位移驱动器1，该压电陶瓷位移驱动器1包括相对架体5固定的座体101、固定安装在座体101上的压电陶瓷模组102、及固定连接在座体101上的机械放大臂103，该压电陶瓷模组102包括在设定方向上堆叠的至少两块压电陶瓷模组单体，例如包括三块压电陶瓷模组单体，压电陶瓷模组102被设置为沿设定方向产生对应位移驱动信号的变形量；机械放大臂103设置有转轴方向垂直于设定方向的柔性铰链结构1031，且机械放大臂103被设置为通过柔性铰链结构1031将变形量放大转换为对应位移驱动信号的位移量输出，这说明机械放大臂103的与压电陶瓷模组102接触或者连接的输入端1032接近柔性铰链结构，而机械放大臂103的用于输出位移量的输出端1033则相对输入端1032远离柔性铰链结构1031，进而获得机械放大的效果。
上述柔性铰链结构1031可以是直梁型、直圆型、椭圆型、双曲线型、抛物线型、V型、摆线型等单轴柔性铰链，特别是各种类型的单轴对称式柔性铰链。
为了提高机械放大臂103的整体结构强度，在本发明的一个具体实施例中，机械放大臂103被设置为在放大臂本体上直接加工形成该柔性铰链结构1031，例如，通过对放大臂本体进行电火花加工形成该柔性铰链结构1031。由于柔性铰链结构1031是通过材料的弹性形变来工作的,所以材料的弹性恢复性能及刚度将决定柔性铰链结构的优劣，基于性能方面的考虑，该放大臂本体例如可以采用铂青铜，而基于性价比的考虑，该放大臂本体例如可以采用45号钢。
上述机械放大臂103可以与座体101一体成型，以实现二者之间的固定连接；上述机械放大臂103也可以通过粘接、焊接等手段与座体101固定连接在一起；上述机械放大臂103还可以通过螺钉等紧固件可拆卸地固定连接在座体101上，该种结构具有能够通过增加调整垫片获得合适的预紧力的优势。
为了避免因机械放大臂103在转动时产生微小的侧向位移而影响探针4压入测试样品的垂直性，在本发明的一个具体实施例中，如图15所示，该压电陶瓷位移驱动器1被设置为通过球面与经由位移传感器2的目标件2M引出的传导件201点接触，以使压电陶瓷位移驱动器1将位移量经由传导件201传递至位移传感器2的目标件2M上。结合上述结构三，该球面具体形成于机械放大臂103的输出端1033上。
为了使各传感器的目标件尽可能地在对应的电容设置方向上进行平动，进而降低后期标定的难度，在本发明的一个具体实施例中，该压电陶瓷位移驱动器1被设置为将位移量传递至位移传感器2的目标件2M的重心上；位移传感器2被设置为再将位移量传递至正向力传感器3的重心上，其中，该正向力传感器3的重心与正向力传感器3的目标件3M的重心重合；以及，该探针4的中心线通过正向力传感器3的目标件3M的重心。在此，各重心在对应部分有规则形状且质量分布均匀的情况下位于对应部分的几何中心上，例如在目标件2M、3M为圆形、且质量分别基本均匀时，目标件2M、3M的重心即为各自的几何中心。
上述探头4的用于接触测试样品的尖端表面可以为球面、圆锥面、棱锥面等，在探头4的尖端表面为球面时，该球面的半径优选是大于或者等于2微米，小于或者等于10微米，以利于进行测试样品的压入。而该探头4的尖端的材质则需要根据测试样品的硬度进行选择，在此，可以选择金刚石(钻石)、刚玉、黄玉、石英等材料制作探头4的尖端。
为了有效避免由于温度变化而造成目标件M在对应的电容设置方向上产生异动，在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，上述位移传感器2设置有至少三个，优选为三个或者四个，弹性悬臂2A，其中，所有弹性悬臂2A在垂直于设定方向的平面上延伸、且在对应目标件2M周向(即环绕目标件2M的方向)上的位置各不相同，在此，所有弹性悬臂2A优选是均匀地连接在对应目标件2M上，该均匀地连接包括相邻连接点至目标件2M的几何中心的连线间的夹角相等的情况，也包括偶数个弹性悬臂分成两组关于垂直于目标件2M的中垂面对称的情况，该中垂面具体为将目标件2M划分为质量相同的两部分的垂面。这样，在温度变化时，弹性悬臂2A将在对应平面上沿目标件2M的边缘发生微小转动，而不会造成沿设定方向的异动，进而有效提高了位移传感器的可靠性和准确性。在此基础上，为了便于通过统一的隔离件实现弹性悬臂2A与对应的两个感应件2S之间的相对固定连接，所有弹性悬臂2A优选在垂直于设定方向的同一平面上延伸，即所有弹性悬臂2A在设定方向上位于相同的高度。另外，为了便于加工制造，该弹性悬臂2A与目标件2M可以采用一体成型的结构实现二者之间的固定连接。
同理，在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，上述正向力传感器3也设置有至少三个弹性悬臂3A，优选设置三个或者四个弹性悬臂3A，其中，所有弹性悬臂3A在垂直于设定方向的平面上延伸、且在对应目标件3M的周向上的位置各不相同。在此，所有弹性悬臂3A优选是在垂直于设定方向的同一平面上延伸，及/或优选是均匀地连接在对应目标件3M上。另外，该弹性悬臂3A与目标件3M可以采用一体成型的结构实现二者之间的固定连接。
为了使位移传感器2及/或正向力传感器3能够以尽可能小的体积获得与压电陶瓷位移驱动器1相匹配的运动行程，进而提升对应传感器乃至整个***的动态性能，在本发明的一个具体实施例中，该位移传感器2的弹性悬臂2A在对应平面上弯曲延伸(即非直线延伸)，及/或该正向力传感器3的弹性悬臂3A在对应平面上弯曲延伸，以能够在有限空间内通过增加弹性悬臂2A的总长度及/或弹性悬臂3A的总长度获得相匹配的运动行程。在此基础上，在目标件2M、3M为圆形目标件的情况下，弹性悬臂2A、3A的主体部分(即在总长度上占较大比重的部分)优选位于对应目标件2M、3M的同心圆上；而在目标件2M、3M为方形目标件的情况下，弹性悬臂2A、3A的主体部分优选与对应目标件2M、3M的所在边沿平行。
为了使双单极电容差分结构的目标件M仅在电容设置方向上平动，而不会发生扭动，如图2所示，弹性悬臂A可以为双层弹性悬臂，该双层弹性悬臂由在电容设置方向上平行、间隔、且对齐布置的两个弹性悬臂单体A1、A2构成，为此，这需要在双层弹性悬臂的第二端设置夹设在两个弹性悬臂单体A1、A2之间的隔离件P2，以保证两个弹性悬臂单体A1、A2之间的间距设置。
如图2所示，为了提高目标件M的平整性，进而防止目标件M发生微小变形，该目标件M可以为双层目标件，该双层目标件包括在电容设置方向上相对布置的两个目标件单体M1、M2，及夹设在两个目标件单体M1、M2之间的中间支撑体M3，这样，两个传感件S将分别与双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体M1、M2形成一个单极电容。
图2示出了双层弹性悬臂结合双层目标件的实施结构，在该实施结构中，可以使两个弹性悬臂单体A1、A2与两个目标件单体M1、M2一一对应连接，而且优选是弹性悬臂单体A1与目标件单体M1一体成型，弹性悬臂单体A2与目标件单体M2一体成型。
由于正向力传感器3的目标件3M与探针4固定连接，因此，目标件3M在设定方向上平动的特性相对其反应的灵敏度而言更为重要，所以，在本发明的一个具体实施例中，该正向力传感器3的至少有一个弹性悬臂3A，优选所有弹性悬臂3A，为上述双层弹性悬臂，及/或该正向力传感器3的目标件3M为上述双层目标件。
上述位移传感器2也优选采用上述双层弹性悬臂及/或上述双层目标件，以进一步提高位移传感器2的动态性能。
为了使本发明***还能够对探针4进行侧向力(或者称切向力)的测量，在本发明的一个具体实施例中，其还包括侧向力传感器，该侧向力传感器采用电容方向垂直于设定方向的双单极电容差分结构，该侧向力传感器被设置为通过侧向力推动对应目标件在对应的电容设置方向上运动，以产生能够表征侧向力大小的差分信号，具体地，该侧向力传感器可以采用以下两种连接设置结构：
结构一：对应图7至图9所示的侧向力传感器61，在该结构中，将正向力传感器3固定安装在侧向力传感器61的目标件61M上，位移传感器2具体被设置为再将位移量经由侧向力传感器61传递至正向力传感器61上，即，位移传感器2的目标件2M通过传导件202与侧向力传感器的结构整体固定连接。这样，在探针4与测试样品之间存在侧向力时，该侧向力将通过正向力传感器3传递至目标件61M上，进而使得目标件61M在对应的电容设置方向上运动产生差分信号。
为了便于进行正向力传感器3与目标件61M的可靠连接，在本发明的一个具体实施例中，该目标件61M采用上述双层目标件，这样，便可将正向力传感器3固定安装在目标件61M的中间支撑体61M3上。在此基础上，为了控制测量***在设定方向上所占的空间，该中间支撑体61M3可设置容置槽61M31，以将正向力传感器3固定安装在该容置槽61M31中。
由于侧向力的测量对方向性的要求较高，因此，在本发明的一个具体实施例中，该侧向力传感器61至少有一个弹性悬臂61A为上述双层弹性悬臂。而且，该侧向力传感器61可以仅设置一个弹性悬臂61A，且该弹性悬臂61A在设定方向上延伸，这说明该弹性悬臂61A即为双层弹性悬臂。由于铂青铜具有很高的强度、弹性、硬度、疲劳强度，及很小的弹性滞，因此，该弹性悬臂61A优选由铂青铜制成，以进一步提高目标件61M的平动性能。
为了便于进行目标件61M与双层弹性悬臂之间的连接，可以采用每一目标件单体61M1、61M2形成于对应侧的弹性悬臂单体61A1、61A2的第一端的表面上的结构，例如通过电镀手段形成于对应侧的弹性悬臂单体61A1、61A2的第一端的表面上。
为了便于形成侧向力传感器61的结构整体，可将两个感应件61S设置在与各自相对应的感应件固定块6101上，该感应件61S可以通过电镀手段形成于对应感应件固定块6101的表面上，而侧向力传感器61还具有在弹性悬臂61A的第二端夹设在两个弹性悬臂单体61A1、61A2之间的隔离件61P2，这样，侧向力传感器61便可通过使螺丝6103穿过每一感应件固定块6101、对应侧的弹性悬臂单体61A1、61A2与隔离件61P2螺纹配合连接的结构，将弹性悬臂61A的第二端相对侧向力传感器61的两个感应件61S固定。该种结构的另一个优点在于，可以通过在感应件固定块6101与对应侧的弹性悬臂单体61A1、61A2之间增加垫片的方式，方便地调节感应件61S与对应侧的目标件单体61M1之间的间距。
结构二：对应图10至图16所示的侧向力传感器62，在该结构中，侧向力传感器的目标件62M包括目标件本体和用于承载测试样品的承载板62M4，该承载板62M4与目标件本体固定连接，且承载板62M4垂直于设定方向设置，目标件本体平行于设定方向设置，其中，侧向力传感器62的两个传感件62S具体是各自与目标件本体形成一个单极电容，侧向力传感器62的每一弹性悬臂62S的第一端具体是与承载板62M4连接，而每一弹性悬臂62S的第二端同样是相对侧向力传感器62的两个感应件62S固定。这样，在探针4与测试样品之间产生侧向力时，该侧向力将通过测试样品传递至目标件62M，进而使得目标件62M在对应的电容设置方向上运动产生差分信号。
为了便于进行目标件本体与承载板62M4之间的连接，该目标件本体可以采用上述双层目标件，这样，侧向力传感器62的两个传感件62S将分别与相邻近的目标件单体62M1、62M2形成一个单极电容，而目标件本体便可通过中间隔离体62M3与承载板62M4固定连接。
该侧向力传感器62的弹性悬臂62A优选在垂直于设定方向的平面上弯曲延伸，以利用较小的空间获得合适的总行程。进一步地，该弹性悬臂62a优选是通过弯曲延伸形成至少一个U型结构，其中，U型结构开口朝向垂直于设定方向及侧向力传感器62的电容设置方向，这有利于通过有限的空间提供满足总行程要求的变形量。
在承载板62M4为方形的实施例中，可以在承载板62M4的两个相对边沿的外侧各设置一组两个弹性悬臂62A，这例如可通过对一基板6203进行线切割加工形成该承载板62M4及弹性悬臂62A，并将设置有感应件62S的感应件固定块6201固定连接在基板6203的、通过线切割加工与承载板62M4仅通过弹性悬臂62A连接在一起的边框部分6202上，在此需要在感应件固定块6201与承载板62M4之间留有间隙，以避免影响目标件62M的***。另外，在目标件62M为双层目标件的情况下，还可以通过对基板6203进行线切割加工直接形成中间隔离体62M3。
为了保证侧向力传感器62的动态性能、保证目标件62M在对应电容设置方向上平动的性能、及保证承载板62M4能够对测试样品提供足够的支撑力，在本发明的一个具体实施例中，该弹性悬臂62A在设定方向上的厚度大于承载板62M4在设定方向上的厚度。
在本发明位移、力的产生和测量***的基础上，可以设计形成各种用于进行材料物理性能的研究及新材料的研发的压痕仪、划伤仪、表面轮廓仪等。例如，通过该***通过在探针4上产生的力和位移对被测样品表面进行压痕作用而成为压痕仪。又例如，该***通过在探针4上产生的力和位移可对被测样品表面进行划伤作用而成为划伤仪，这优选是在本发明***的基础上再增加一个移动平台，且该移动平台被设置为带动测试样品在垂直于设定方向的平面上移动，这样，在探针4压入测试样品时，通过移动平台的移动即在测试样品上自动产生划痕。对于划伤仪，在本发明***设置有上述侧向力传感器62时，该侧向力传感器62具体固定安装在移动平台上，以使移动平台通过侧向力传感器62带动测试样品在垂直于设定方向的平面上移动，该移动平台例如可以通过运动方向相互垂直的两个直线运动机构间的耦合实现测试样品在垂直于设定方向的平面上的任意移动。再例如，该***通过使探针4产生的微小的常力可实现对被测样品表面轮廓的扫描，进而成为表面轮廓仪，在利用本发明***形成表面轮廓仪时，也可以通过设置移动平台带动被测样品在垂直于设定方向的平面上移动，以实现对被测样品表面的自动扫描。
图17示出了以本发明位移、力的产生和测量***作为核心部件组装成的压痕仪、划伤仪、表面轮廓仪等仪器的一种实施方式的***原理图，相关仪器除位移、力的产生和测量***17外，还可以包括：控制装置8，其被设置为向***17输出位移驱动信号、接收并处理各传感器输出的差分信号、及控制移动平台12动作，以在进行压痕实验时实现测试样品相对探针4的定位，及在进行划伤实验时实现测试样品相对探针4的移动；计算机10，其被设置为向控制装置8发送动作指令、及与控制装置8之间进行数据传输；显示装置9，其被设置为显示计算机信息、提供人机交互界面；龙门支架15，其被设置为通过固定件16安装***17，在此，***17可封装在外壳中；气浮台11，其被设置为隔绝振动；移动平台12，其被设置为实现样品台13相对探针4的定位、及带动样品台13相对探针4移动；样品台13，其被设置为用于承载测试样品；显微成像装置14，其被设置为用于采集测试样品表面的图像。在此，尽管在图17中示出了多个装置，但是，本发明压痕仪、划伤仪、表面轮廓仪可以仅涉及其中的部分装置。
图18示出了基于图17所示压痕仪、划伤仪、表面轮廓仪的一种闭环控制结构，该闭环控制结构是以位移传感器2输出的信号作为反馈信号，对于该种结构，上述控制装置8进一步包括驱动信号输出装置801和输出信号处理装置803，该驱动信号输出装置801被设置为向压电陶瓷位移驱动器1输出位移驱动信号；该输出信号处理装置803被设置为接收给定量和位置传感器2输出的差分信号，并进行计算差值、信号放大、分析等处理，得到用于控制驱动信号输出装置801的控制信号，以实现基于位移反馈的闭环控制。
图19示出了基于图17所示压痕仪、划伤仪、表面轮廓仪的一种闭环控制结构，该闭环控制结构是以正向力传感器3输出的信号作为反馈信号，对于该种结构，上述控制装置8进一步包括驱动信号输出装置801和输出信号处理装置803，该驱动信号输出装置801被设置为向压电陶瓷位移驱动器1输出位移驱动信号；该输出信号处理装置803被设置为接收给定量和正向力传感器3输出的差分信号，并进行计算差值、信号放大、分析等处理，得到用于控制驱动信号输出装置801的控制信号，以实现基于力反馈的闭环控制。
图20a示出了力传感器的一种标定方式的拟合曲线，图中，纵坐标代表正向力信号，具体为一种单位信号，横坐标代表正向力值(单位mN)，正向力传感器3的量程为0-200mN，每130单位信号对应的正向力值是2μN。图20b示出了位移传感器的一种标定方式的拟合曲线，图中，纵坐标代表位移信号，具体为一种单位信号，横坐标代表位移值(单位μm)，位移传感器2的量程为0-100μm，每130单位信号对应的位移值是1nm。
基于上述标定方式，图21a示出了位移传感器2在探针4悬置(即未接触测试样品)情况下输出的差分信号，即位移信号；而图21b示出了在该种情况下正向力传感器3输出的差分信号，即正向力信号。根据图21a和图21b所示，位移信号在全量程范围内变化时，对应的变化量为13000000单位，正向力信号的变化量只有300单位左右，而且正向力信号的形式非常接近白噪声。这说明本发明***的将位移传感器2和正向力传感器3串联连接的结构不会在二者之间造成任何串扰，能够保证相应输出信号的准确性。
基于上述标定方式，图22示出了在压痕实验中(此时，探针4作用于测试样品上)，位移传感器2和正向力传感器3输出的位移信号L1和正向力信号L2，图中左侧纵坐标代表位移信号、右侧纵轴表代表正向力信号、横坐标代表时间(单位：s)。根据图22，位移输出量与正向力的变化在整个过程中均是一致的，这正反应了探针4的位移越大、探针4与测试样品之间的正向力越大的事实，这说明本发明***具有较高的可靠性和稳定性。
图23示出了本发明***在最大位移行程为100um的实施例中的动态响应曲线，图中纵坐标代表位移量(单位μm)、横坐标代表时间(单位ms)、采样率为6000点/秒，每两点之间的时间间隔为0.17ms。根据图23可知，本发明***在输入一个2.52μm的阶跃信号后，达到稳定状态的时间小于2ms，这说明本发明***具有优良的动态响应性能。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，而且各个实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (27)
1.一种位移、力的产生和测量***，其特征在于，是基于压电陶瓷产生纳米级位移、且基于双单极电容差分结构进行微牛级力测量、及纳米级位移测量的***，所述双单极电容差分结构包括一个目标件(M)、两个感应件(S)和至少一个弹性悬臂(A)，所述两个感应件(S)在电容设置方向上分设在所述目标件(M)的两侧、且各自与所述目标件(M)组成一个单极电容，每一所述弹性悬臂(A)的第一端与所述目标件(M)连接、第二端相对所述两个感应件(S)固定，所述双单极电容差分结构被设置为在所述目标件(M)相对所述两个感应件(S)沿所述电容设置方向运动时产生差分信号；
所述***包括压电陶瓷位移驱动器(1)、位移传感器(2)、正向力传感器(3)和探针(4)，所述位移传感器(2)和所述正向力传感器(3)均采用电容设置方向沿设定方向的双单极电容差分结构；所述压电陶瓷位移驱动器(1)和所述位移传感器(2)均相对架体(5)固定，所述压电陶瓷位移驱动器(1)被设置为沿所述设定方向输出对应位移驱动信号的位移量，并将所述位移量传递至所述位移传感器(2)的目标件(2M)上，所述位移传感器(2)被设置为再将所述位移量传递至所述正向力传感器(3)上，所述探针(4)沿所述设定方向与所述正向力传感器(3)的目标件(3M)固定连接。
2.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述压电陶瓷位移驱动器(1)包括相对所述架体(5)固定的座体(101)、固定安装在所述座体(101)上的压电陶瓷模组(102)、及固定连接在所述座体(101)上的机械放大臂(103)，所述压电陶瓷模组(102)被设置为沿所述设定方向产生对应所述位移驱动信号的变形量；所述机械放大臂(103)设置有转轴方向垂直于所述设定方向的柔性铰链结构(1031)，且所述机械放大臂(103)被设置为通过所述柔性铰链结构(1031)将所述变形量放大转换为对应所述位移驱动信号的位移量输出。
3.根据权利要求2所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述机械放大臂(103)被设置为在放大臂本体上直接加工形成所述柔性铰链结构(1031)。
4.根据权利要求1、2或3所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述压电陶瓷位移驱动器(1)被设置为通过球面与经由所述位移传感器(2)的目标件(2M)引出的传导件(201)点接触，以使所述压电陶瓷位移驱动器(1)将所述位移量经由所述传导件(201)传递至所述位移传感器(2)的目标件(2M)上。
5.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述压电陶瓷位移驱动器(1)被设置为将所述位移量传递至所述位移传感器(2)的目标件(2M)的重心上；所述位移传感器(2)被设置为再将所述位移量传递至所述正向力传感器(3)的重心上，其中，所述正向力传感器(3)的重心与所述正向力传感器(3)的目标件(3M)的重心重合；以及，所述探针(4)的中心线通过所述正向力传感器(3)的目标件(3M)的重心。
6.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述探针(4)的用于接触测试样品的尖端表面为半径大于或者等于2微米，小于或者等于10微米的球面。
7.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述位移传感器(2)设置有三个或者四个弹性悬臂(2A)，所述位移传感器(2)的所有弹性悬臂(2A)在垂直于所述设定方向的平面上延伸、且在对应目标件(2M)的周向上均匀分布；及/或，所述正向力传感器(3)设置有三个或者四个弹性悬臂(3A)，所述正向力传感器(3)的所有弹性悬臂(3A)在垂直于所述设定方向的平面上延伸、且在对应目标件的周向上均匀分布。
8.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述位移传感器(2)的弹性悬臂(2A)在各自的第一端与各自的第二端之间弯曲延伸；及/或，所述正向力传感器(3)的弹性悬臂(3A)在各自的第一端与各自的第二端之间弯曲延伸。
9.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述正向力传感器(3)的至少一个弹性悬臂(2A)为双层弹性悬臂，其中，所述双层弹性悬臂由在所述设定方向上平行、间隔、且对齐布置的两个弹性悬臂单体(A1、A2)构成。
10.根据权利要求1、7、8或9所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述正向力传感器(3)的目标件(3M)为双层目标件，所述双层目标件包括在所述设定方向上相对布置的两个目标件单体(M1、M2)、及夹设在所述两个目标件单体(M1、M2)之间的中间支撑体(M3)，所述正向力传感器(3)的两个传感件(3S)分别与所述双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体形成一个单极电容。
11.根据权利要求1所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述***还包括用于测量所述探针(4)与测试样品间的侧向力的侧向力传感器(61、62)，所述侧向力传感器(61、62)采用电容设置方向垂直于所述设定方向的双单极电容差分结构，所述侧向力传感器(61、62)被设置为通过所述侧向力推动对应目标件在对应的电容设置方向上运动。
12.根据权利要求11所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述正向力传感器(3)固定安装在所述侧向力传感器(61)的目标件(61M)上，所述位移传感器(2)被设置为再将所述位移量经由所述侧向力传感器(61)传递至所述正向力传感器(3)上，所述侧向力传感器(61)被设置为使得所述侧向力通过所述探针(4)和所述正向力传感器(3)传递至对应的目标件(61M)上。
13.根据权利要求12所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(61)的目标件(61M)为双层目标件，所述双层目标件包括在对应的电容设置方向上相对布置的两个目标件单体(61M1、61M2)、及夹设在所述两个目标件单体(61M1、61M2)之间的中间支撑体(61M3)，所述侧向力传感器(61)的两个传感件(61S)分别与所述双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体形成一个单极电容；所述正向力传感器(3)固定安装在所述中间支撑体(61M3)上。
14.根据权利要求13所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述中间支撑体(61M3)设置有容置槽(61M31)，所述正向力传感器(3)固定安装在所述容置槽中(61M31)。
15.根据权利要求12、13或14所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(61)至少有一个弹性悬臂(61A)为双层弹性悬臂，其中，所述双层弹性悬臂由在对应的电容设置方向上平行、间隔、且对齐布置的两个弹性悬臂单体(61A1、61A2)构成。
16.根据权利要求15所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器仅具有一个弹性悬臂(61A)，且所述侧向力传感器的弹性悬臂(61A)在所述设定方向上延伸。
17.根据权利要求16所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(61)的两个感应件(61S)设置在与各自相对应的感应件固定块(6101)上，所述侧向力传感器(61)还具有在所述双层弹性悬臂(61A)的第二端夹设在两个弹性悬臂单体(61A1、61A2)之间的隔离件(61P2)，所述侧向力传感器(61)通过使螺丝(6103)穿过每一所述感应件固定块(6101)、对应侧的弹性悬臂单体(61A1、61A2)与所述隔离件(61P2)螺纹配合连接的结构，将所述双层弹性悬臂(61A)的第二端相对所述侧向力传感器(61)的两个感应件(61S)固定。
18.根据权利要求17所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，每一所述目标件单体(61A1、61A2)在所述双层弹性悬臂(61A)的第一端形成于对应侧的弹性悬臂单体(61A1、61A2)的表面上。
19.根据权利要求11所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(62)的目标件(62M)包括目标件本体和用于承载测试样品的承载板(62M4)，所述承载板(62M4)与所述目标件本体固定连接，且所述承载板(62M4)垂直于所述设定方向设置，所述目标件本体平行于所述设定方向设置；所述侧向力传感器(62)的两个传感件(62S)各自与所述目标件本体形成一个单极电容，所述侧向力传感器(62)的每一弹性悬臂(62A)的第一端与所述承载板(62M4)连接、第二端相对所述侧向力传感器(62)的两个感应件(62S)固定；所述侧向力传感器(62)被设置为使得所述侧向力通过测试样品传递至对应的目标件(62M)上。
20.根据权利要求19所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述目标件本体为双层目标件，所述目标件本体包括在对应的电容设置方向上相对布置的两个目标件单体(62M1、62M2)、及夹设在所述两个目标件单体(62M1、62M2)之间的中间支撑体(62M3)，所述侧向力传感器(62)的两个传感件(62S)分别与所述双层目标件的、与各自邻近的一个目标件单体形成一个单极电容；所述承载板(62M4)与所述中间支撑体(62M3)固定连接。
21.根据权利要求19所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(62)的弹性悬臂(62A)在垂直于所述设定方向的平面上弯曲延伸。
22.根据权利要求21所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(62)的弹性悬臂(62A)通过弯曲延伸形成至少一个U型结构，其中，所述U型结构的开口朝向垂直于所述设定方向及所述侧向力传感器的电容设置方向。
23.根据权利要求19所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(62)的弹性悬臂(62A)在所述设定方向上的厚度大于所述承载板(62M4)在所述设定方向上的厚度。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的位移、力的产生和测量***，其特征在于，所述侧向力传感器(62)被设置为通过对一块基板(6203)进行线切割加工形成所述承载板(62M4)及对应的弹性悬臂(62A)。
25.一种压痕仪，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的位移、力的产生和测量***。
26.一种划伤仪，其特征在于，包括权利要求1至24中任一项所述的位移、力的产生和测量***，以及用于带动测试样品在垂直于设定方向的平面上移动的移动平台。
27.一种表面轮廓仪，其特征在于，包括权利要求1至24中任一项所述的位移、力的产生和测量***，以及用于带动测试样品在垂直于设定方向的平面上移动的移动平台，所述表面轮廓仪通过使所述***的探针产生常力扫描所述测试样品的表面轮廓。
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