微型智能儀器 納米測量技術與

不只帶動科技的發展，納米丈量技術隨同著納米科學全面進入21世紀。同時也能促進經濟的發展。納米丈量技術將成為人們征服自然、探索自然的強有力的工具。微型智能儀器是儀器的重要發展方向，將創造更多的市場，使我生活更加舒適、生產更加方便。

納米丈量技術、納米加工技術和納米結構并列為納米技術的三大研究主題。納米丈量技術的研究是納米技術研究的重要組成局部。微型智能儀器將在21世紀儀器發展中占有重要的地位，納米丈量技術指尺度為0.01nm100nm丈量技術。納米技術中。各種微型智

又有活動部件，能儀器都將發揮重要的作用。微型智能儀器可把不同的微型機械電子系統（MEMS組裝在一起。既有固定部件。并向微芯片的集成化方向發展；既可以是儀器，又可以是通用儀器；可以是分系統的

也可是單獨的系統。可進行模塊化的根據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用前景，組合。MEMS技術發展的重要方向之一。1納米丈量技術 納米丈量技術涉及傳感器技術、探針技術、定位技術、掃描探針顯微鏡（SPM技術等。1.1傳感器技術 無論

電感傳感器應用廣。一般電感傳感器有線性差動變壓器（LVDT和線性差動電感器（LVDI兩種形式，何種納米丈量技術都必需依靠傳感器。目前進行納米丈量的傳感器主要分為電感傳感器、電容傳感器、光干涉傳感器三類。高精度丈量中。都是當鐵磁線圈的位置變化引起磁場的變化，通過丈量磁場變化達

從而達到測微目的電容傳感器靈敏度很高，丈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反映兩極板距離變化。并可進行非接觸測量，成為納米丈量中重要的傳感器。光學位移傳感器丈量的基本原理都是邁克爾遜干涉儀。干涉條紋的寬度為0.5??約0.2??m通

特別是納米三維形貌的丈量，過細分達到納米分辨率。1.2探針技術 納米丈量。經常應用探針技術。探針技術可分為接觸式探針技術和非接觸式探針技術。探針技術直接影響三維形貌測量的橫向分辨率。接觸式

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，探針技術為典型的輪廓儀（如taylorsurf系列）一般大行程為150mm探針小直徑為0.1??m左右。采用電容或電感傳感器檢測探針縱向位移。難以達到納米級。接觸式探針儀器存在兩方面的問題：其一是探針和被測表面的相互作用

納米尺度的丈量中，問題；其二是傳感系統的潛力問題。接觸式探針和被測表面存在0.7??N作用力。這樣的力

光學系統的分辨率取決于光波長和可靠細分的水平，致命的作為傳感部分。其極限是0.5nmLVDT分辨率很高，可對10pm緩慢變化值具有明顯響應，且分辨率還可能提高；電容傳感器的性能相當好，還有很大

一般是通過光束生成光探針，潛力。非接觸式掃描探針技術。從而進行非接觸式三維形貌測量。光探針技術主要問題是探針光斑的小值和傳感器所能探測到小光斑的能力。綜上所述，掃

垂直分辨率達到納米不成問題，描探針技術中。而橫向分辨率的提高是關鍵。橫向分辨率，無論采用接觸式探針技術還是非接觸式探針技術，都較難達到納米尺度，這是由探針自身尺寸決定的1．3STM/A FM及相關

令人感到振奮的掃描隧道顯微鏡（STM和原子力顯微鏡（AFM呈現。1982年，技術 納米領域中。商業機器公司蘇黎世實驗室開發出世界上*臺STM使人類能夠直接觀察到納米世界。以后

如AFM激光力顯微鏡（LFM磁力顯微鏡（MFM靜電力顯微鏡（EFM掃描近場光學顯微鏡（SNOM等不時被開發出來，各種新型掃描探針顯微鏡。大大擴展了被觀察的資料范圍和應用場所。以STM/A FM為基礎發展的顯微鏡，可統稱為掃描探針顯微鏡（SPM大都能觀測到納米尺度，

進行適當的改造，以它為基礎。可進行納米丈量。SPM應用于納米丈量時，提供了一個直徑非常小的非接觸式探針，從而極大地提高了丈量分辨率。1．4納米丈量用SPM必需解決的問題 1

必需盡量符合丈量儀器的所有準則，必需能滿足相應科學儀器的技術要求　作為丈量儀器。如阿貝原理等。2所測得的量值必需能溯源到計量基準　作為丈量儀器進行納米丈量，實質就是納米被測尺度和納米級測量

因此，基準的比對。丈量值必需能夠與現有的丈量基準進行傳送。3提高SPM丈量精度　丈量用SPM由掃描器、微探針、丈量控制系統及隔振系統組成。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（pyramidshap和圓柱式（coneshapedtip丈量和控制系統用光學、電容或電感方法來測量

減小壓電陶瓷誤差對測量數據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，針尖的微小位移；隔振系統一般有懸掛彈簧式、彈簧阻尼式等：均是影響丈量精度的重要指標。有以下幾個研究內容：a.減小壓電陶瓷誤差　SPM掃描器由壓電陶瓷制成。軟件彌補減小非線性和蠕變誤差

如一維壓電陶瓷，b.減小掃描器的結構誤差　掃描器結構誤差導致了交叉誤差。x方向加電壓時，引起了yz方向的位移，從而導致誤差。通過對所測數據進行二次曲線擬合或整體曲面擬合去除交叉誤差。

高精度丈量時，c.減小丈量系統的結構誤差　從測量學的基本原理可知。丈量系統的結構應盡可能符合阿貝測量原理。d.兼顧探針和樣品之間的相互作用關系　SPM探針的幾何形狀與采集的數椐密切

丈量結果越接近真實形貌。為了提高丈量精度，相關。丈量針尖的曲率半徑越小。必需對微探針的幾何形狀進行的控制和測量。使用時，兼顧樣品外表的精細水平，選取合適曲率半徑和縱橫比的探針。1

如激光納米丈量技術就有納米零差檢測法、納米外差檢測法、納米混頻檢測法等。下面簡介幾種納米丈量技術。1光學近場掃描技術　目前光學顯微技．5其它納米丈量技術 其它納米丈量技術還很多。

將光學掃描定位于目標外表以內50nm處。這種情況下儀器就處于光學的近場”可用錐形波束導向器探測被術的分辨率受到衍射規律的影響而被限制在500nm掃描范圍內。為了消除衍射現象。

其頻率為研究外表的輻射量子。光學近場掃描技術的橫向分辨率可達10nm可用來研究納米微區的光學性質。2納米光探針掃描外差干涉儀原理　激光器發出的激光束經分光鏡被分為兩束：一束光經聲光調制器后。f

其頻率為f+f2該光束經反射鏡后被物鏡會聚照射到被測表面上，+f1該光束經一定的光路進入光電探測器；另一束經過聲光調制器。反射后也進入光電探測器，以上兩束激光在至少有f1-f2頻率度的探測器上合成即發生外差干涉。通過干涉信號獲得外表的信息。3X射線干涉儀原理　早

X射線波長的數量級約為0.1nm晶體中的原子間距也是這個數量級，期的實驗證明。于是Laue1912年建議用晶體作為衍

后面的感光膠片上就能得到中間黑點和外圍對稱分布的一些明點圖樣，射光柵。讓X射線通過硫酸銅晶體。叫Laue圖。與可見光柵相似，中心明點與可見光的衍射一樣是零級大值，而外圍明點則是由于原子的外層電子在X射線的作用下，二次發射的散射光所疊加的效果。X射線干涉儀原理與光

不過是光線變為波長更短的X射線，柵類似。接收信號是干涉條紋而已。1．6展望 納米丈量技術受到世界各

發達國家紛紛制定納米丈量技術的發展戰略。作為納米分辨率的丈量傳感器早已呈現，國的普遍重視。掃描電子顯微鏡（SEM30年代就已發明。但人類在研究納觀世界時，更重視對三維狀態的定量研究。筆者認為，目前能夠真正進行三維形貌納米丈量的只有各種基于STM/A FMSPM技術，大多數

對它改造可獲得各種計量型SPM當SPM作為納米丈量儀器時，SPM可達納米分辨率的水平。兩個問題值得

如何提高丈量精度和擴大丈量范圍；另一問題是通過納米加工技術加工出可以直接溯源到現有基準的納米樣板。只有這樣，更多的研究：其一是把微探針作為一種非接觸式測量時。納米技術才干適用于更多的場所，真正成為人們進行納米技術研究的有力工具。2微型智能儀器 微型智能儀器指微

從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產中。能夠完成信號的采集、線性化處理、數字信號處置、控制信號的輸出、放大、與其它儀器的接口、與人的交互等功能

只需按系統的需要，微型智能儀器屬于微電子機械系統的研究范疇。使用時。選取不同微型智能儀器進行組合即可。微型智能儀器是儀器和微電子機械技術結合后的一個肯定發展趨勢，實現將帶來儀器技術、傳感器技術、信息技術等的重大變化。微型智能儀器通常采用微電子機械技術將多傳

再與處理信號的信息處置單元和控制輸出件集成。根據需要，感器集成在一起?？烧闪亢驮u定所感興趣的參數，并向需要的地方傳輸控制信號。這個系統，可以估測由相互干擾發生的噪聲。人體中，傳感信號通過神經

由大腦用天然的并行計算系統”可靠準確地測評它后再控制相應的執行器官，系統來接收并傳給大腦。微型智能儀器可望具有類似的功能。2．1微型智能儀器發展的可能性 1微傳感器的不時發展　目前，傳感器有越來越小的趨勢。通過MEMS技術可以實現單一的微傳感器到極小尺寸的集成

很有發展前途和廣闊的市場前景。世界市場容量的年增加量大約是20%而且有很多競爭者。以MEMS技術為支持，傳感器系統。今天正在出現大量的微傳感器。*可以實現微傳感器的一個獨立市場，未來

工業自動化、環境維護、生產和加工技術以及軍事領域將發揮很大作用。2信息處置單元體積的不時

目前器件的線寬可達0.18??m縮小　微型智能儀器的實質就是多傳感器的集成、傳感器與信息處置單元的集成、信息處置和控制信號輸出。信息處置單元對應于宏觀的CPU由于微電子技術的發展。

因此可把微型傳感器、信息處置單元、輸出電路集成為智能儀器。3封裝、系統微電子的集成度更高。

不只有各種傳感器的敏感資料和結構，集成、模數電路的集成等技術的發展　微型智能儀器幾乎要涉及所有的MEMS技術。一個微型智能儀器中。還要有模擬電路、數字電路、信息存儲電路、信息處置電路等。這就

因此在今后的研究中，需要解決一些相應的關鍵技術如封裝、系統集成、連接技術、模數電路集成等。這些問題已經在MEMS技術中得到一定的解決?？蔀槲⑿椭悄軆x器的發展提供。2．2微型

往往智能儀器發展的肯定性 1模塊化的發展　模塊化發展能夠給人們提供極大的方便。目前的傳感器。

還要進行系統的標定等，要根據傳感器的自身進行前置電路的設計。不只花費大量時間，而且結果往往不理想。而微型智能儀器是一個模塊，對使用者，只需關心它輸出即可，其它均由智能儀器自身完成。模

也肯定對微型智能儀器提出同樣的要求。2信息處置的發展　信息獲取和處置越來越快，塊化的趨勢是系統設計的肯定趨勢。人們進行信號采集時，希望許多工作由CPU以外的器件完成。微型智能儀器

既能完成激進智能儀器的所有工作，可以作為一個計算機的外圍部件。同時又把有用信息傳輸給計算機。這樣使測控系統更加簡潔，效率提高。3系統集成的繼續發展　微型傳感器體積小、利息低，目前已

信息處置單元的價格下降、體積減小，有很大發展。多傳感器的集成已有許多研究效果。模擬數字電路在硅片上集成，這些技術有著相同的技術基礎，因此可以利用目前一些集成技術或經過進一步發展，完成微

同樣重要的還有規范化問題。目前傳感器的種類非常多，型智能儀器系統的集成。2．3技術上的問題 技術上的問題不只是如何制造。原理各異，采用同樣的處置電路和信息處置單元是不可能的而對不同

因此必需有一個制造標準，量程、不同原理的傳感器又不可能每一種研制一套信息處置單元電路。不同功能、不同加工方法的微構件集成在一起時，使眾多的問題有相應的指導規范。這就意味著必需

微型智能儀器才干走向蓬勃的發展道路。2．4展望 目前，建立微型智能儀器的各種規范。只有遵循這些規范。微型智能儀器的有關研究還很少，但相關技術研究卻很多，例如，各類微型傳感器的研制已經開

有的已產業化。Argnonn國家重點實驗室研制出一種氣體微傳感器，始。運用電解電量計通過一個陶瓷金屬傳感夾層發生電信號，這種傳感器帶有計算的神經網絡，可以處置簡單的采樣信號并進行訓練、識別、分類等；

微型智能儀器的研究有一定基礎。微型智能儀器隨著微電子機械技術的不時發展，資料描述了多種傳感器的集成、數據融合以及應用等問題。可見。其技術不時幼稚，價格將不斷降低，因此其應用領域也將不斷

而且能在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫療領域起到*的作用，擴大。不但能夠具有激進儀器功能。例如，目前要同時丈量一個病人的幾個不同的參量，并進行某些量的控制，通常病人的體內要插進幾

這增加了感染的機會，個管子。微型智能儀器能同時丈量多參數，而體積小、可植入人體，使這些問題得到解決 ［3］ 微型智能儀器的使用將變得十分簡單，因此微型智能儀器具有巨大的市場和應用前景。3結語