納米測(cè)量技術(shù)指尺度為0.01nm～100nm的測(cè)量技術(shù)。在納米技術(shù)中，納米測(cè)量技術(shù)、納米加工技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)并列為納米技術(shù)的三大研究主題。納米測(cè)量技術(shù)的研究是納米技術(shù)研究的重要組成部分。
微型智能儀器將在21世紀(jì)儀器發(fā)展中占有重要的地位，各種微型智能儀器都將發(fā)揮重要的作用。微型智能儀器可把不同的微型機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)組裝在一起。它既有固定部件，又有活動(dòng)部件，并向微芯片的集成化方向發(fā)展;既可以是專用儀器，又可以是通用儀器;可以是分系統(tǒng)的組合，也可是單獨(dú)的系統(tǒng)?？蛇M(jìn)行模塊化的組合，根據(jù)不同的用途完成不同的使用要求。微型智能儀器有著極其廣闊的應(yīng)用前景，是MEMS技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。
1.納米測(cè)量技術(shù)
納米測(cè)量技術(shù)涉及傳感器技術(shù)、探針技術(shù)、定位技術(shù)、掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)等。
1.1傳感器技術(shù)
無(wú)論何種納米測(cè)量技術(shù)都必須依靠傳感器。目前進(jìn)行納米測(cè)量的傳感器主要分為電感傳感器、電容傳感器、光干涉?zhèn)鞲衅魅悺?/p>
在高精度測(cè)量中，電感傳感器應(yīng)用*廣。一般電感傳感器有線性差動(dòng)變壓器(LVDT)和線性差動(dòng)電感器(LVDI)兩種形式，它們都是當(dāng)鐵磁線圈的位置變化引起磁場(chǎng)的變化，通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)變化達(dá)到測(cè)量位移的目的。
電容位移傳感器采用平行極板之間的電容變化來(lái)反映兩極板距離變化，從而達(dá)到測(cè)微目的。電容傳感器靈敏度很高，并可進(jìn)行非接觸測(cè)量，成為納米測(cè)量中重要的傳感器。
光學(xué)位移傳感器測(cè)量的基本原理都是邁克爾遜干涉儀。干涉條紋的寬度為0.5λ，約0.2μm。通過(guò)細(xì)分達(dá)到納米分辨率。
1.2探針技術(shù)
納米測(cè)量，特別是納米三維形貌的測(cè)量，經(jīng)常應(yīng)用探針技術(shù)。探針技術(shù)可分為接觸式探針技術(shù)和非接觸式探針技術(shù)。探針技術(shù)直接影響三維形貌測(cè)量的橫向分辨率。
接觸式探針技術(shù)*為典型的是輪廓儀(如Taylorsurf系列)，一般*大行程為150mm，探針*小直徑為0.1μm左右。采用電容或電感傳感器檢測(cè)探針縱向位移，可以得到0.5nm縱向分辨率。橫向分辨率受探針尖直徑的限制，難以達(dá)到納米級(jí)。接觸式探針儀器存在兩方面的問(wèn)題：其一是探針和被測(cè)表面的相互作用問(wèn)題;其二是傳感系統(tǒng)的潛力問(wèn)題。接觸式探針和被測(cè)表面存在0.7μN的作用力，在納米尺度的測(cè)量中，這樣的力是致命的。作為傳感部分，光學(xué)系統(tǒng)的分辨率取決于光波長(zhǎng)和可靠細(xì)分的程度，其極限是0.5nm;LVDT的分辨率很高，可對(duì)10pm緩慢變化值具有明顯響應(yīng)，且分辨率還可能提高;電容傳感器的性能相當(dāng)好，還有很大潛力。
非接觸式掃描探針技術(shù)，一般是通過(guò)光束生成光探針，從而進(jìn)行非接觸式三維形貌測(cè)量。光探針技術(shù)主要問(wèn)題是探針光斑的*小值和傳感器所能探測(cè)到*小光斑的能力。
綜上所述，在掃描探針技術(shù)中，垂直分辨率達(dá)到納米不成問(wèn)題，而橫向分辨率的提高是關(guān)鍵。橫向分辨率，無(wú)論采用接觸式探針技術(shù)還是非接觸式探針技術(shù)，都較難達(dá)到納米尺度，這是由探針本身尺寸決定的。
1.3 STM/AFM及相關(guān)技術(shù)
在納米領(lǐng)域中，令人感到振奮的是掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的出現(xiàn)。1982年，國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出世界上**臺(tái)STM，使人類能夠直接觀察到納米世界。以后，各種新型掃描探針顯微鏡，如AFM、激光力顯微鏡(LFM)、磁力顯微鏡(MFM)、靜電力顯微鏡(EFM)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)等不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，大大擴(kuò)展了被觀察的材料范圍和應(yīng)用場(chǎng)所。
以STM/AFM為基礎(chǔ)發(fā)展的顯微鏡，可統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。它們大都能觀測(cè)到納米尺度，以它們?yōu)榛A(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，可進(jìn)行納米測(cè)量。SPM應(yīng)用于納米測(cè)量時(shí)，提供了一個(gè)直徑非常小的非接觸式探針，從而極大地提高了測(cè)量分辨率。
1.4納米測(cè)量用SPM必須解決的問(wèn)題
(1)必須能滿足相應(yīng)科學(xué)儀器的技術(shù)要求
作為測(cè)量?jī)x器，必須盡量符合測(cè)量?jī)x器的所有準(zhǔn)則，如阿貝原理等。
(2)所測(cè)得的量值必須能溯源到計(jì)量基準(zhǔn)
作為測(cè)量?jī)x器進(jìn)行納米測(cè)量，本質(zhì)就是納米被測(cè)尺度和納米級(jí)測(cè)量基準(zhǔn)的比對(duì)，因此，測(cè)量值必須能夠與現(xiàn)有的測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行傳遞。
(3)提高SPM測(cè)量精度
測(cè)量用SPM由掃描器、微探針、測(cè)量控制系統(tǒng)及隔振系統(tǒng)組成。掃描器由壓電陶瓷組成;微探針的幾何形狀通常是金字塔式(pyramid shaped)和圓柱式(cone shaped tip);測(cè)量和控制系統(tǒng)用光學(xué)、電容或電感方法來(lái)測(cè)量針尖的微小位移;隔振系統(tǒng)一般有懸掛彈簧式、彈簧阻尼式等,它們均是影響測(cè)量精度的重要指標(biāo)。有以下幾個(gè)研究?jī)?nèi)容：
a.減小壓電陶瓷誤差
SPM的掃描器由壓電陶瓷制成，減小壓電陶瓷誤差對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響的方法是，采用電荷控制壓電陶瓷和單向掃描去除遲滯誤差，軟件補(bǔ)償減小非線性和蠕變誤差。
b.減小掃描器的結(jié)構(gòu)誤差
掃描器結(jié)構(gòu)誤差導(dǎo)致了交叉誤差，如一維壓電陶瓷，在x方向加電壓時(shí)，引起了y、z方向的位移，從而導(dǎo)致誤差。通過(guò)對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次曲線擬合或整體曲面擬合去除交叉誤差。
c.減小測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)誤差
從測(cè)量學(xué)的基本原理可知，在高精度測(cè)量時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能符合阿貝測(cè)量原理。
d.兼顧探針和樣品之間的相互作用關(guān)系
SPM探針的**幾何形狀與采集的數(shù)椐密切相關(guān)。測(cè)量針尖的曲率半徑越小，測(cè)量結(jié)果越接近真實(shí)形貌。為了提高測(cè)量精度，必須對(duì)微探針的幾何形狀進(jìn)行**的控制和測(cè)量。使用時(shí)，兼顧樣品表面的精細(xì)程度，選取合適曲率半徑和縱橫比的探針。
1.5其它納米測(cè)量技術(shù)
其它的納米測(cè)量技術(shù)還很多，如激光納米測(cè)量技術(shù)就有納米零差檢測(cè)法、納米外差檢測(cè)法、納米混頻檢測(cè)法等。下面簡(jiǎn)介幾種納米測(cè)量技術(shù)。
(1)光學(xué)近場(chǎng)掃描技術(shù)
目前光學(xué)顯微技術(shù)的分辨率受到衍射規(guī)律的影響而被限制在500nm的掃描范圍內(nèi)。為了消除衍射現(xiàn)象，將光學(xué)掃描定位于目標(biāo)表面以內(nèi)50nm處。這種情況下儀器就處于光學(xué)的“近場(chǎng)”?？捎缅F形波束導(dǎo)向器探測(cè)被研究表面的輻射量子。光學(xué)近場(chǎng)掃描技術(shù)的橫向分辨率可達(dá)10nm，可用來(lái)研究納米微區(qū)的光學(xué)性質(zhì)。
(2)納米光探針掃描外差干涉儀原理
激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分光鏡被分為兩束：一束光經(jīng)聲光調(diào)制器后，其頻率為f+f1，該光束經(jīng)一定的光路進(jìn)入光電探測(cè)器;另一束經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器，其頻率為f+f2，該光束經(jīng)反射鏡后被物鏡會(huì)聚照射到被測(cè)表面上，反射后也進(jìn)入光電探測(cè)器，以上兩束激光在至少有f1-f2的頻率度的探測(cè)器上合成即發(fā)生外差干涉。通過(guò)干涉信號(hào)獲得表面的信息。
(3)X射線干涉儀原理
早期的實(shí)驗(yàn)證明，X射線波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)約為0.1nm，晶體中的原子間距也是這個(gè)數(shù)量級(jí)，于是Laue在1912年建議用晶體作為衍射光柵。讓X射線通過(guò)硫酸銅晶體，在它后面的感光膠片上就能得到中間黑點(diǎn)和外圍對(duì)稱分布的一些明點(diǎn)圖樣，叫Laue圖。與可見(jiàn)光柵相似，中心明點(diǎn)與可見(jiàn)光的衍射一樣是零級(jí)*大值，而外圍明點(diǎn)則是由于原子的外層電子在X射線的作用下，二次發(fā)射的散射光所疊加的效果。
X射線干涉儀原理與光柵類似，不過(guò)是光線變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)更短的X射線，接收信號(hào)是干涉條紋而已。
1.6展望
納米測(cè)量技術(shù)受到世界各國(guó)的普遍重視，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略。作為納米分辨率的測(cè)量傳感器早已出現(xiàn)，掃描電子顯微鏡" href="http://www.jrdun.cn/product/detail/12585.html" target="_blank">電子顯微鏡(SEM)在30年代就已發(fā)明。但人類在研究納觀世界時(shí)，更重視對(duì)三維狀態(tài)的定量研究。筆者認(rèn)為，目前能夠真正進(jìn)行三維形貌納米測(cè)量的只有各種基于STM/AFM的SPM技術(shù)，大多數(shù)SPM可達(dá)納米分辨率的水平，對(duì)它們改造可獲得各種計(jì)量型SPM。
當(dāng)SPM作為納米測(cè)量?jī)x器時(shí)，兩個(gè)問(wèn)題值得更多的研究：其一是把微探針作為一種非接觸式測(cè)量時(shí)，如何提高測(cè)量精度和擴(kuò)大測(cè)量范圍;另一問(wèn)題是通過(guò)納米加工技術(shù)加工出可以直接溯源到現(xiàn)有基準(zhǔn)的納米樣板。只有這樣，納米技術(shù)才能適用于更多的場(chǎng)所，真正成為人們進(jìn)行納米技術(shù)研究的有力工具。
2.微型智能儀器
微型智能儀器指微電子技術(shù)、微機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)等綜合應(yīng)用于儀器的生產(chǎn)中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，能夠完成信號(hào)的采集、線性化處理、數(shù)字信號(hào)處理、控制信號(hào)的輸出、放大、與其它儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的研究范疇。使用時(shí)，只需按系統(tǒng)的需要，選取不同微型智能儀器進(jìn)行組合即可。微型智能儀器是儀器和微電子機(jī)械技術(shù)結(jié)合后的一個(gè)必然發(fā)展趨勢(shì)，它的實(shí)現(xiàn)將帶來(lái)儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等的重大變化。
微型智能儀器通常采用微電子機(jī)械技術(shù)將多傳感器集成在一起，再與處理信號(hào)的信息處理單元和控制輸出件集成。根據(jù)需要，可測(cè)量和評(píng)定所感興趣的參數(shù)，并向需要的地方傳輸控制信號(hào)。這個(gè)系統(tǒng)，可以估測(cè)由相互干擾產(chǎn)生的噪聲。在人體中，傳感信號(hào)通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)接收并傳給大腦，由大腦用天然的“并行計(jì)算系統(tǒng)”可靠準(zhǔn)確地測(cè)評(píng)它們，*后再控制相應(yīng)的執(zhí)行器官，微型智能儀器可望具有類似的功能。
2.1微型智能儀器發(fā)展的可能性
(1)微傳感器的不斷發(fā)展
目前，傳感器有越來(lái)越小的趨勢(shì)。通過(guò)MEMS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單一的微傳感器到極小尺寸的集成傳感器系統(tǒng)。今天正在出現(xiàn)大量的微傳感器，它們很有發(fā)展前途和廣闊的市場(chǎng)前景。世界市場(chǎng)容量的年增加量大約是20%，而且有很多競(jìng)爭(zhēng)者。以MEMS技術(shù)為支持，完全可以實(shí)現(xiàn)微傳感器的一個(gè)獨(dú)立市場(chǎng)，在未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)和加工技術(shù)以及**領(lǐng)域?qū)l(fā)揮很大作用。
(2)信息處理單元體積的不斷縮小
微型智能儀器的本質(zhì)就是多傳感器的集成、傳感器與信息處理單元的集成、信息處理和控制信號(hào)輸出。信息處理單元對(duì)應(yīng)于宏觀的CPU。由于微電子技術(shù)的發(fā)展，目前器件的線寬可達(dá)0.18μm，微電子的集成度更高，因此可把微型傳感器、信息處理單元、輸出電路集成為智能儀器。
(3)封裝、系統(tǒng)集成、模數(shù)電路的集成等技術(shù)的發(fā)展
微型智能儀器幾乎要涉及所有的MEMS技術(shù)。在一個(gè)微型智能儀器中，不僅有各種傳感器的敏感材料和結(jié)構(gòu)，還要有模擬電路、數(shù)字電路、信息存儲(chǔ)電路、信息處理電路等。這就需要解決一些相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)如封裝、系統(tǒng)集成、連接技術(shù)、模數(shù)電路集成等。這些問(wèn)題已經(jīng)在MEMS技術(shù)中得到一定的解決，因此在今后的研究中，可為微型智能儀器的發(fā)展提供技術(shù)支持。
2.2微型智能儀器發(fā)展的必然性
(1)模塊化的發(fā)展模塊化發(fā)展能夠給人們提供極大的方便。目前的傳感器，往往要根據(jù)傳感器的本身進(jìn)行前置電路的設(shè)計(jì)，還要進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定等，不僅花費(fèi)大量時(shí)間，而且結(jié)果往往不理想。而微型智能儀器是一個(gè)模塊，對(duì)使用者，只需關(guān)心它的輸出即可，其它均由智能儀器本身完成。模塊化的趨勢(shì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)，也必然對(duì)微型智能儀器提出同樣的要求。
(2)信息處理的發(fā)展信息獲取和處理越來(lái)越快，人們?cè)谶M(jìn)行信號(hào)采集時(shí)，希望許多工作由CPU以外的器件完成。微型智能儀器可以作為一個(gè)計(jì)算機(jī)的外圍部件，它既能完成傳統(tǒng)智能儀器的所有工作，同時(shí)又把有用信息傳輸給計(jì)算機(jī)。這樣使測(cè)控系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔，效率提高。
(3)系統(tǒng)集成的繼續(xù)發(fā)展微型傳感器體積小、成本低，目前已有很大發(fā)展。多傳感器的集成已有許多研究成果，信息處理單元的價(jià)格下降、體積減小，模擬數(shù)字電路在硅片上集成，這些技術(shù)有著相同的技術(shù)基礎(chǔ)，因此可以利用目前一些集成技術(shù)或經(jīng)過(guò)進(jìn)一步發(fā)展，完成微型智能儀器系統(tǒng)的集成。
2.3技術(shù)上的問(wèn)題
技術(shù)上的問(wèn)題不僅是如何制造，同樣重要的還有標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。目前傳感器的種類非常多，原理各異，采用同樣的處理電路和信息處理單元是不可能的。而對(duì)不同量程、不同原理的傳感器又不可能每一種研制一套信息處理單元電路，因此必須有一個(gè)制造標(biāo)準(zhǔn)，在不同功能、不同加工方法的微構(gòu)件集成在一起時(shí)，使眾多的問(wèn)題有相應(yīng)的指導(dǎo)規(guī)范。這就意味著必須建立微型智能儀器的各種標(biāo)準(zhǔn)。只有遵循這些標(biāo)準(zhǔn)，微型智能儀器才能走向蓬勃的發(fā)展道路。
2.4展望
目前，微型智能儀器的有關(guān)研究還很少，但相關(guān)技術(shù)研究卻很多，例如，各類微型傳感器的研制已經(jīng)開(kāi)始，有的已產(chǎn)業(yè)化。Argnonne國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出一種氣體微傳感器，運(yùn)用電解電量計(jì)通過(guò)一個(gè)陶瓷金屬傳感夾層產(chǎn)生電信號(hào)，這種傳感器帶有計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以處理簡(jiǎn)單的采樣信號(hào)并進(jìn)行訓(xùn)練、識(shí)別、分類等;資料描述了多種傳感器的集成、數(shù)據(jù)融合以及應(yīng)用等問(wèn)題?？梢?jiàn)，微型智能儀器的研究有一定基礎(chǔ)。
微型智能儀器隨著微電子機(jī)械技術(shù)的不斷發(fā)展，其技術(shù)不斷成熟，???格將不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。它不但能夠具有傳統(tǒng)儀器功能，而且能在自動(dòng)化技術(shù)、航天、**、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到獨(dú)特的作用，例如，目前要同時(shí)測(cè)量一個(gè)病人的幾個(gè)不同的參量，并進(jìn)行某些量的控制，通常病人的體內(nèi)要**幾個(gè)管子，這增加了感染的機(jī)會(huì)，微型智能儀器能同時(shí)測(cè)量多參數(shù)，而體積小、可植入人體，使這些問(wèn)題得到解決。微型智能儀器的使用將變得十分簡(jiǎn)單，因此微型智能儀器具有巨大的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。
3.結(jié)語(yǔ)
納米測(cè)量技術(shù)伴隨著納米科學(xué)**進(jìn)入21世紀(jì)，它不僅帶動(dòng)科技的發(fā)展，同時(shí)也能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。納米測(cè)量技術(shù)將成為人們征服自然、探索自然的強(qiáng)有力的工具。
微型智能儀器是儀器的重要發(fā)展方向，它將創(chuàng)造更多的市場(chǎng)，使我們的生活更加舒適、生產(chǎn)更加方便。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
