微纳力值标准装置的研究和建立源于20世纪末21世纪初兴起的微纳米技术对可溯源的微纳力值测量的需求。装置通常采用静电力原理、电磁补偿技术等进行力值复现。

基于静电力原理的微纳力值标准装置的工作原理见图1。内电极通过弹性铰链支撑，外电极固定安装。在内外电极间施加电压后，在电级间产生静电力，使内电极向下运动，直至弹性铰链变形后增加的回复力与静电力平衡。这时内电极的位置即为平衡位置，电极两端电势差为。当在内电极上施加微小力，内电极将会偏离平衡位置。改变内外电极间的电压，使内电极重新恢复到平衡位置，此时电极两端电势差为。微纳力值标准装置复现的静电力按以下公式计算：

式中，为内外电极在平衡位置处的电容梯度；为由于电极表面在介质中出现分子吸附产生的表面电势。

图1 一种基于静电力原理的微纳力值标准装置原理示意图

基于电磁补偿技术的微纳力值标准装置的结构见图2。工作时，通过三维平移工作台进行位置粗调，最终通过一维精密工作台将被测微小力传感器逐步靠近并接触加载点，使电磁补偿天平受到一个外力。电磁补偿天平中电磁线圈通过激励电流产生电磁力，与外力平衡。电磁补偿天平溯源到高等级的质量标准。

图2　一种基于电磁补偿技术的微纳力值标准装置

微纳力值标准装置主要用于原子力显微镜探针的悬臂梁弹性常数、纳米压入系统中微力传感器载荷因子以及其他各类微力传感器力值的测量和溯源，也已应用于新材料、生物、微电子等相关领域。