納米光電測控技術研究

[摘 要] 納米技術的發展使得人來在改造自然方面進入了一個新的層次，作為一項面向21世紀的高新技術，對國民生活和軍事技術帶來巨大的改變。納米技術的發展和機械加工行業精度水平的提高必須以超高精度的納米測控技術的發展作為基礎和先導。本文詳細介紹了納米光電測控技術的研究現狀與發展趨勢。

[關鍵詞]納米 光電 測控技術

納米科學與技術，有時簡稱為納米技術，是研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。它主要包括納米材料、納米動力學、納米生物學和納米藥物學、納米電子學等四個方面。納米級材料工程是指用于納米技術的材料開發，主要應用于功能織物、醫學生物工程、電子工業、催化劑、超微傳感器等幾個方面。納米級加工技術納米加工技術在納米技術的各領域也起著關鍵作用，包含機械加工、能量束加工、化學腐蝕以及掃描隧道顯微鏡加工等許多方法。然而，納米級的測控技術是制約納米技術發展的關鍵。

我國測控領域的科研人員經過四十多年長期探索，不斷研究，克服了各種困難，利用光、機、電、算多學科綜合，發展了一整套微/納米光電測控新技術，研制出新一代測控儀器，已經成功地應用于軍用、民用很多領域，取得了明顯效果。

一、納米光電測控技術

納米光電測控技術以納米計量光柵為核心元件，配以光電轉換、信號讀取、信號處理以及超精機械，形成各種測量儀器，可直接用于測量或控制長度、位移等多種幾何量。具有測量精度高、量程大、環境適應能力強、穩定性好等優點。該項技術主要由傳感器和數顯裝置兩部分組成。利用該項技術所生產的產品具有自動求最大值、最小值、峰峰值、公英制轉換、置數、打印、復位、自檢等功能，同時還具有RS232串行通訊接口，與計算機、單片機等連接后可進行自動測量、自動數據處理和自動控制等優點。納米測控技術包括納米級的測量技術和納米級的定位控制技術兩個方面。

1.納米測量技術

目前，納米級測量技術的主要發展方向有光干涉測量技術和掃描顯微技術等，以表面粗糙度和表面形貌等為測量對象。

(1) 光外差干涉儀

光外差探測是一種對光波振幅、頻率和相位調制信號的檢波方法，可以對于光強度調制信號。光外差干涉儀是使用兩種不同頻率的單色光作為測量光束和參考光束，通過光電探測器的混頻，輸出差頻信號(受光電探測器頻響的限制，頻差一般在100兆赫以內)的儀器。被測物體的變化如位移、振動、轉動、大氣擾動等引起的光波相位變化或多普勒頻移載于此差頻上，經解調即可獲得被測數據的儀器。目前，通常使用的干涉條紋圖的測量方法，在進行納米級測量時有非常大的局限性。因此利用外差干涉測量技術，可以得到0。1nm的空間分辨率，測量范圍可達50mm，促進了納米技術的進一步發展。

(2) X射線干涉儀

X射線干涉儀以非常穩定的單晶硅晶格作為長度單位，可以實現亞納米精度的微位移測量。

可見光和縈外光的干涉條紋間距為數百納米，這種間距不易測量。而利用射線的超短波長干涉測量技術，可以實現0。005nm分辨率的位移測量，測量范圍可達200μm，是一種測量范圍大較易實現的納米級測量方法。近年來，又產生了X射線形貌測量儀，它采用掠人射角的射線來測量超光滑表面形貌。

(3) 激光頻率分裂測長

激光頻率分裂的值與分裂元件的位移有關。通過測頻率測位移，精度已達到1nm，進一步穩定激光頻率可達到0.01nm，測量范圍為150μm。

(4) 掃描探針顯微(SPM)技術

SPM實際上是一個很大的家族，它包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、激光力顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡及掃描近場光學顯微鏡等等，利用它們可以用來測量非導體、磁性物質，甚至有機生物體的納米級表面。

掃描探針顯微(SPM)技術是在掃描隧道顯微鏡(STM)發明取得巨大成就的基礎上發展起來的各種新型顯微鏡。它們的原理都是通過檢測一個非常微小的探針(磁探針、靜電力探針、電流探針、力探針)，與被測表面進行不接觸各種相互作用(電的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等)，借助納米級的三維位移定位控制系統，測出該表面的三維微觀立體形貌，在納米級的尺度上研究各種物質表面的結構以及各種相關的性質。

掃描探針顯微技術(SPM)具有以下特點:(1)具有原子級的高分辨率。STM的橫向分辨率可達到0.1nm，垂直表面方向分辨率可達0.01nm，這是目前所有顯微技術當中分辨率最高的。(2)可以觀察單個原子層的局部表面結構。STM觀察的是表面的一個或兩個原子層，即幾個納米的局域信息，而不是像光學顯微鏡和電子束顯微鏡只能獲得平均信息。(3) STM配合掃描隧道譜(STS)，可以得到表面電子結構的有關信息，可以通過調節隧道結偏壓來觀察不同位置電子態密度分布，觀察電荷轉移的情況，還可以得到電子結構的信息。(4)STM可以實時、實空間地觀察表面的三維圖像。而不像其他，例如各種衍射方法所得到的只是倒易空間的圖像，不是實空間的，而且只有進行 “傅里葉變換”才能得到實空間圖像。(5) STM可以在不同條件下工作，例如真空、大氣、常溫、低溫、高溫、熔溫，不需要特別的制樣技術，而且探測過程對樣品無損傷，因而擴展了研究對象的范圍。(6) STM不僅可用于成像，還可以對表面的原子、吸附的原子或分子進行操縱，從而進行納米級加工，這是其他技術所不具備的一種功能。

2. 納米定位控制技術

在納米級加工與測量中，需要納米級的三維定位與控制。目前，用一個執行元件來實現大范圍的納米級定位是比較困難的。因此，實際的定位機構多采用大位移用的執行元件和納米級定位用的執行元件相結合方式來實現。實現三維定位與控制，目前普遍采用壓電陶瓷致動器件，它在納米級的極小范圍內，通過控制系統能實現近似的三維驅動。此外，利用電致材料、靜電或磁軸承式結構，以及靜電致動的高精度定位控制技術，也向納米級精度發展，也可采用摩擦驅動裝置及絲杠定位元件，通過特殊的方法進行納米級的定位。

二、納米光電測控技術特點

光電測控技術采用的光電自動測量方法是為適應我國高速發展的測控領域的現狀而逐步研究、開發形成的，并以其獨特的優點逐步成為當今世界范圍內的一種新型、高精度的測試手段。它采用現代高科技手段，測試精度涵蓋了微米、亞納米及納米領域。

這種新型測控技術，具有許多重要的特點:

(1)首先，它的應用覆蓋面特別寬，既可用于微米、亞微米量級，也可用于納米量級;既可用于傳統機械、傳統儀器的更新改造，又可用于尖端科技的高層突破;

(2)其次，技術上綜合性很強，光、機、電、算容為一體，具備了純機械、純電學、純光學等傳統測量技術很難達到的優越性;

(3)再次，它的應用范圍特別寬廣，軍用上，如常規武器的改造提高;航空航天的各種測控等;民用上，傳統產業上的更新改造、制造業的技術提高等。

三、最近研究成果

目前世界上已出現了一些能達到納米量級的測量儀器，但在測量范圍和實用性上尚不能完全滿足實際要求。中國青旅實業發展有限公司所屬標普納米測控技術有限公司開發的兩項科技成果在很大程度上彌補了這一領域存在的不足，對微/納米測控技術和相關領域的發展起到了促進作用。這不僅表明我國微/納米光電測控技術處于世界領先水平，而且對解決目前制約我國高新技術、傳統制造業發展及新材料研制過程中的計量問題，推動世界精密計量儀器的升級換代也具有重要意義，同時標志著世界微/納米測控技術向更精微邁進了重要一步。

“納米測長儀”是一種通用長度傳感器，它的研制成功表明長度通用量具已經提高到了納米量級，并且從靜態人工讀數發展到數字化自動顯示。其數顯分辨率達到1納米，測量重復性(標準偏差)為0.8-1.2nm，在未作誤差修正的前提下，10mm測量范圍內示值誤差優于±0.06μm。與國際上同類儀器相比，它在分辨率、重復性、準確度和短時穩定性等主要技術指標上，都處于國際領先水平。它用途廣泛，技術獨特，生產成本遠低于國外同類產品，推廣應用前景廣闊。

“量塊快速檢測儀”是一種新型的量塊檢測儀器，它成功的將納米測長儀應用到量塊檢測上，將直接測量與比較測量結合起來，對名義尺寸10mm及10mm以下的量塊實現了直接測量。該儀器測量分辨率達到1nm，直接測量范圍10mm，比較測量范圍110mm，與國外同類儀器相比，主要技術指標達到了國際先進水平。該儀器還可以與計算機連接通訊，實現數據自動處理，從而提高了量塊檢驗速度，減輕了檢測人員的勞動強度。由于其對環境溫度不敏感，現有基層計量室不必提高溫控要求即可推廣使用。該儀器經濟實用，適合基層計量室檢測三等及三等以下量塊。該科技成果在納米光柵的制造與檢測、納米光柵的信號讀取、光電信號的高質量處理和超精機構的加工改進等四方面均具有獨創性，集光學、機械、電子、計算機多學科于一體，開發難度大。國內外多家科研單位曾致力于該種儀器的研究，但都沒能取得突破性進展。

四、結論與建議

納米光電測控技術的應用，將極大地促進我國新材料技術的研發，對于各種新型材料的加工、檢測及生產高精度新型材料的機械設備的制造等都有著舉足輕重的意義。同時，納米光電測控技術解決了當代高新技術發展在測控方面面臨的十分棘手的難題，具有劃時代的意義。

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