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二級注冊計量師考試專業(yè)實務(wù)案例分析

1 納米測量技術(shù)國外情況綜述

國外于1982年發(fā)明并使其發(fā)明者Binnig和Rohrer（美國）榮獲1986年物理學(xué)諾貝爾獎的掃描隧道顯微鏡（STM）。1986年，Binnig等人利用掃描隧道顯微鏡測量近10-18N的表面力，將掃描隧道顯微鏡與探針式輪廓儀相結(jié)合，發(fā)明了原子力顯微鏡，在空氣中測量，達(dá)到橫向精度3n m和垂直方向0.1n m的分辨率。California大學(xué)S.Alexander等人利用光杠桿實現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級分辨率的表面圖像。日本：S.Yoshida主持的Yoshida納米機(jī)械項目主要進(jìn)行以下二個方面的研究：

⑴.利用改制的掃描隧道顯微鏡進(jìn)行微形貌測量，已成功的應(yīng)用于石墨表面和生物樣本的納米級測量；

⑵.利用激光干涉儀測距，在激光干涉儀中其開發(fā)的雙波長法限制了空氣湍流造成的誤差影響；其實驗裝置具有1n m的測量控制精度。2012年二級注冊計量師考試

日本國家計量研究所（NRLM）研制了一套由穩(wěn)頻塞曼激光光源、四光束偏振邁克爾干涉儀和數(shù)據(jù)分析電子系統(tǒng)組成的新型干涉儀，該所精密測量已涉及一些基本常數(shù)的決定這一類的研究，如硅晶格間距、磁通量等，其掃描微動系統(tǒng)主要采用基于柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的微動工作臺。英國：國家物理研究所對各種納米測量儀器與被測對象之間的幾何與物理間的相互作用進(jìn)行了詳盡的研究，繪制了各種納米測量儀器測量范圍的理論框架，其研制的微形貌納米測量儀器測量范圍是0.01n m~3n m和0.3n m~100n m。Warwick大學(xué)的Chetwynd博士利用X光干涉儀對長度標(biāo)準(zhǔn)用的波長進(jìn)行細(xì)分研究，他利用薄硅片分解和重組X光光束來分析干涉圖形，從干涉儀中提取的干涉條紋與硅晶格有相等的間距，該間距接近0.2nm，他依此作為校正精密位移傳感器的一種亞納米尺度。Queensgate儀器公司設(shè)計了一套納米定位裝置，它通過壓電驅(qū)動元件和電容位置傳感器相結(jié)合的控制裝置達(dá)到納米級的分辨率和定位精度。德國：T.Gddenhenrich等研制了電容式位移控制微懸臂原子力顯微鏡。在PTB進(jìn)行了一系列稱為1nm級尺寸精度的計劃項目，這些研究包括：①.提高直線和角度位移的計量；②.研究高分辨率檢測與表面和微結(jié)構(gòu)之間的物理相互作用，從而給出微形貌、形狀和尺寸的測量。目前，已完成亞納米級的一維位移和微形貌的測量。

2 納米測量技術(shù)國內(nèi)情況綜述

國內(nèi)的江西省科學(xué)院、清華大學(xué)、南昌大學(xué)等采用掃描探針顯微鏡系列，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，對高精度納米和亞納米量級的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測量研究。天津大學(xué)劉安偉等在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測量的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對樣品表面輪廓的測量過程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀，該儀器以穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為光源，共光路設(shè)計提高了抗外界環(huán)境干擾的能力，其縱向和橫向分辨率分別為0.39nm和0.73μm。李巖等提出了一種基于頻率分裂激光器光強(qiáng)差法的納米測量原理。中國計量學(xué)院朱若谷、浙江大學(xué)陳本永等提出了一種通過測量雙法布里一珀羅干涉儀透射光強(qiáng)基波幅值差或基波等幅值過零時間間隔的方法進(jìn)行納米測量的理論基礎(chǔ)，給出了檢測掃描探針振幅變化的新方法。中國科學(xué)院北京電子顯微鏡實驗室成功研制了一臺使用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測的原子力顯微鏡，通過對云母、光柵、光盤等樣品的觀測證明該儀器達(dá)到原子分辨率，最大掃描范圍可達(dá)7μm×7μm。浙江大學(xué)卓永模等研制成功雙焦干涉球面微觀輪廓儀，解決了對球形表面微觀輪廓進(jìn)行亞納米級的非接觸精密測量問題，該系統(tǒng)具有0.1nm的縱向分辨率及小于2μm的橫向分辨率。中國計量科學(xué)研究院研制了用于研究多種微位移測量方法標(biāo)準(zhǔn)的高精度微位移差拍激光干涉儀。中國計量科學(xué)研究院、清華大學(xué)等研制了用于大范圍納米測量的差拍法―珀干涉儀，其分辨率為0.3nm，測量范圍±1.1μm，總不確定度優(yōu)于3.5nm。中國計量學(xué)院朱若谷提出了一種能補(bǔ)償環(huán)境影響、插入光纖傳光介質(zhì)的補(bǔ)償式光纖雙法布里―珀羅微位移測量系統(tǒng)，適合于納米級微位移測量，可用于檢定其它高精度位移傳感器、幾何量計量等。

3 納米測量展望

縱觀納米測量技術(shù)發(fā)展的歷程，它的研究主要向兩個方向發(fā)展：

一是在傳統(tǒng)的測量方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的測試儀器解決應(yīng)用物理和微細(xì)加工中的納米測量問題，分析各種測試技術(shù)，提出改進(jìn)的措施或新的測試方法；

二是發(fā)展建立在新概念基礎(chǔ)上的測量技術(shù)，利用微觀物理、量子物理中最新的研究成果，將其應(yīng)用于測量系統(tǒng)中，它將成為未來納米測量的發(fā)展趨向。

但納米測量中也存在一些問題限制了它的發(fā)展。建立相應(yīng)的納米測量環(huán)境一直是實現(xiàn)納米測量亟待解決的問題之一，而且在不同的測量方法中需要的納米測量環(huán)境也是不同的，目前應(yīng)該建立一個合適的納米環(huán)境，尋求新的測量原理和多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。同時，對納米材料和納米器件的研究和發(fā)展來說，表征和檢測起著至關(guān)重要的作用。由于人們對納米材料和器件的許多基本特征、結(jié)構(gòu)和相互作用了解得還不很充分，使其在設(shè)計和制造中存在許多的盲目性，現(xiàn)有的測量表征技術(shù)就存在著許多問題。此外，由于納米材料和器件的特征長度很小，測量時產(chǎn)生很大擾動，以至產(chǎn)生的信息并不能完全代表其本身特性。這些都是限制納米測量技術(shù)通用化和應(yīng)用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測量無論是在理論上，還是在技術(shù)和設(shè)備上都需要深入研究和發(fā)展

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