二級(jí)計(jì)量師

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二級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試專業(yè)實(shí)務(wù)案例分析

1 納米測(cè)量技術(shù)國(guó)外情況綜述

國(guó)外于1982年發(fā)明并使其發(fā)明者Binnig和Rohrer（美國(guó)）榮獲1986年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡（STM）。1986年，Binnig等人利用掃描隧道顯微鏡測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級(jí)分辨率的表面圖像。日本：S.Yoshida主持的Yoshida納米機(jī)械項(xiàng)目主要進(jìn)行以下二個(gè)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(cè)量，已成功的應(yīng)用于石墨表面和生物樣本的納米級(jí)測(cè)量；

⑵.利用激光干涉儀測(cè)距，在激光干涉儀中其開(kāi)發(fā)的雙波長(zhǎng)法限制了空氣湍流造成的誤差影響；其實(shí)驗(yàn)裝置具有1n m的測(cè)量控制精度。2012年二級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試

日本國(guó)家計(jì)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(cè)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(dòng)系統(tǒng)主要采用基于柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的微動(dòng)工作臺(tái)。英國(guó)：國(guó)家物理研究所對(duì)各種納米測(cè)量?jī)x器與被測(cè)對(duì)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(cè)量?jī)x器測(cè)量范圍的理論框架，其研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器測(cè)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(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)用的波長(zhǎng)進(jìn)行細(xì)分研究，他利用薄硅片分解和重組X光光束來(lái)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(jì)了一套納米定位裝置，它通過(guò)壓電驅(qū)動(dòng)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(jí)的分辨率和定位精度。德國(guó)：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(jí)尺寸精度的計(jì)劃項(xiàng)目，這些研究包括：①.提高直線和角度位移的計(jì)量；②.研究高分辨率檢測(cè)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(cè)量。目前，已完成亞納米級(jí)的一維位移和微形貌的測(cè)量。

2 納米測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)情況綜述

國(guó)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(duì)高精度納米和亞納米量級(jí)的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測(cè)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(cè)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(duì)樣品表面輪廓的測(cè)量過(guò)程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測(cè)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(jì)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(cè)量原理。中國(guó)計(jì)量學(xué)院朱若谷、浙江大學(xué)陳本永等提出了一種通過(guò)測(cè)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(guò)零時(shí)間間隔的方法進(jìn)行納米測(cè)量的理論基礎(chǔ)，給出了檢測(cè)掃描探針振幅變化的新方法。中國(guó)科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室成功研制了一臺(tái)使用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測(cè)的原子力顯微鏡，通過(guò)對(duì)云母、光柵、光盤(pán)等樣品的觀測(cè)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(duì)球形表面微觀輪廓進(jìn)行亞納米級(jí)的非接觸精密測(cè)量問(wèn)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(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了用于研究多種微位移測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)的高精度微位移差拍激光干涉儀。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、清華大學(xué)等研制了用于大范圍納米測(cè)量的差拍法―珀干涉儀，其分辨率為0.3nm，測(cè)量范圍±1.1μm，總不確定度優(yōu)于3.5nm。中國(guó)計(jì)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(cè)量系統(tǒng)，適合于納米級(jí)微位移測(cè)量，可用于檢定其它高精度位移傳感器、幾何量計(jì)量等。

3 納米測(cè)量展望

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

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

二是發(fā)展建立在新概念基礎(chǔ)上的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)中，它將成為未來(lái)納米測(cè)量的發(fā)展趨向。

但納米測(cè)量中也存在一些問(wèn)題限制了它的發(fā)展。建立相應(yīng)的納米測(cè)量環(huán)境一直是實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量亟待解決的問(wèn)題之一，而且在不同的測(cè)量方法中需要的納米測(cè)量環(huán)境也是不同的，目前應(yīng)該建立一個(gè)合適的納米環(huán)境，尋求新的測(cè)量原理和多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)納米材料和納米器件的研究和發(fā)展來(lái)說(shuō)，表征和檢測(cè)起著至關(guān)重要的作用。由于人們對(duì)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(jì)和制造中存在許多的盲目性，現(xiàn)有的測(cè)量表征技術(shù)就存在著許多問(wèn)題。此外，由于納米材料和器件的特征長(zhǎng)度很小，測(cè)量時(shí)產(chǎn)生很大擾動(dòng)，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(cè)量技術(shù)通用化和應(yīng)用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測(cè)量無(wú)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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