不只帶動(dòng)科技的發(fā)展，納米丈量技術(shù)隨同著納米科學(xué)全面進(jìn)入21世紀(jì)。同時(shí)也能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。納米丈量技術(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，將創(chuàng)造更多的市場(chǎng)，使我生活更加舒適、生產(chǎn)更加方便。

納米丈量技術(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。納米丈量技術(shù)的研究是納米技術(shù)研究的重要組成局部。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，納米丈量技術(shù)指尺度為0.01nm100nm丈量技術(shù)。納米技術(shù)中。各種微型智

又有活動(dòng)部件，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。既有固定部件。并向微芯片的集成化方向發(fā)展；既可以是儀器，又可以是通用儀器；可以是分系統(tǒng)的

也可是單獨(dú)的系統(tǒng)?？蛇M(jìn)行模塊化的根據(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，組合。MEMS技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。1納米丈量技術(shù) 納米丈量技術(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

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，何種納米丈量技術(shù)都必需依靠傳感器。目前進(jìn)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?zhèn)鞲衅魅悺８呔日闪恐?。都是?dāng)鐵磁線圈的位置變化引起磁場(chǎng)的變化，通過(guò)丈量磁場(chǎng)變化達(dá)

從而達(dá)到測(cè)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(lái)反映兩極板距離變化。并可進(jìn)行非接觸測(cè)量，成為納米丈量中重要的傳感器。光學(xué)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(guò)細(xì)分達(dá)到納米分辨率。1.2探針技術(shù) 納米丈量。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

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(shù)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(cè)探針縱向位移。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

納米尺度的丈量中，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0.7??N作用力。這樣的力

光學(xué)系統(tǒng)的分辨率取決于光波長(zhǎng)和可靠細(xì)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(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

一般是通過(guò)光束生成光探針，潛力。非接觸式掃描探針技術(shù)。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，掃

垂直分辨率達(dá)到納米不成問(wèn)題，描探針技術(shù)中。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，這是由探針自身尺寸決定的1．3STM/A FM及相關(guān)

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(xiàn)。1982年，技術(shù) 納米領(lǐng)域中。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

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等不時(shí)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，各種新型掃描探針顯微鏡。大大擴(kuò)展了被觀察的資料范圍和應(yīng)用場(chǎng)所。以STM/A FM為基礎(chǔ)發(fā)展的顯微鏡，可統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（SPM大都能觀測(cè)到納米尺度，

進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，以它為基礎(chǔ)?？蛇M(jìn)行納米丈量。SPM應(yīng)用于納米丈量時(shí)，提供了一個(gè)直徑非常小的非接觸式探針，從而極大地提高了丈量分辨率。1．4納米丈量用SPM必需解決的問(wèn)題 1

必需盡量符合丈量?jī)x器的所有準(zhǔn)則，必需能滿足相應(yīng)科學(xué)儀器的技術(shù)要求　作為丈量?jī)x器。如阿貝原理等。2所測(cè)得的量值必需能溯源到計(jì)量基準(zhǔn)　作為丈量?jī)x器進(jìn)行納米丈量，實(shí)質(zhì)就是納米被測(cè)尺度和納米級(jí)測(cè)量

因此，基準(zhǔn)的比對(duì)。丈量值必需能夠與現(xiàn)有的丈量基準(zhǔn)進(jìn)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(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（pyramidshap和圓柱式（coneshapedtip丈量和控制系統(tǒng)用光學(xué)、電容或電感方法來(lái)測(cè)量

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，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：均是影響丈量精度的重要指標(biāo)。有以下幾個(gè)研究?jī)?nèi)容：a.減小壓電陶瓷誤差　SPM掃描器由壓電陶瓷制成。軟件彌補(bǔ)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(jié)構(gòu)誤差　掃描器結(jié)構(gòu)誤差導(dǎo)致了交叉誤差。x方向加電壓時(shí)，引起了yz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。

高精度丈量時(shí)，c.減小丈量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)誤差　從測(cè)量學(xué)的基本原理可知。丈量系統(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

丈量結(jié)果越接近真實(shí)形貌。為了提高丈量精度，相關(guān)。丈量針尖的曲率半徑越小。必需對(duì)微探針的幾何形狀進(jìn)行的控制和測(cè)量。使用時(shí)，兼顧樣品外表的精細(xì)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(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)介幾種納米丈量技術(shù)。1光學(xué)近場(chǎng)掃描技術(shù)　目前光學(xué)顯微技．5其它納米丈量技術(shù) 其它納米丈量技術(shù)還很多。

將光學(xué)掃描定位于目標(biāo)外表以內(nèi)50nm處。這種情況下儀器就處于光學(xué)的近場(chǎng)”可用錐形波束導(dǎo)向器探測(cè)被術(shù)的分辨率受到衍射規(guī)律的影響而被限制在500nm掃描范圍內(nèi)。為了消除衍射現(xiàn)象。

其頻率為研究外表的輻射量子。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。f

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，+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。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)獲得外表的信息。3X射線干涉儀原理　早

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)，期的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)和外圍對(duì)稱分布的一些明點(diǎn)圖樣，射光柵。讓X射線通過(guò)硫酸銅晶體。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

不過(guò)是光線變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)更短的X射線，柵類似。接收信號(hào)是干涉條紋而已。1．6展望 納米丈量技術(shù)受到世界各

發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛制定納米丈量技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略。作為納米分辨率的丈量傳感器早已呈現(xiàn)，國(guó)的普遍重視。掃描電子顯微鏡（SEM30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)行三維形貌納米丈量的只有各種基于STM/A FMSPM技術(shù)，大多數(shù)

對(duì)它改造可獲得各種計(jì)量型SPM當(dāng)SPM作為納米丈量?jī)x器時(shí)，SPM可達(dá)納米分辨率的水平。兩個(gè)問(wèn)題值得

如何提高丈量精度和擴(kuò)大丈量范圍；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，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)。納米技術(shù)才干適用于更多的場(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

從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，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。能夠完成信號(hào)的采集、線性化處理、數(shù)字信號(hào)處置、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

只需按系統(tǒng)的需要，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)。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)肯定發(fā)展趨勢(shì)，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

再與處理信號(hào)的信息處置單元和控制輸出件集成。根據(jù)需要，感器集成在一起?？烧闪亢驮u(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)由相互干擾發(fā)生的噪聲。人體中，傳感信號(hào)通過(guò)神經(jīng)

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)它后再控制相應(yīng)的執(zhí)行器官，系統(tǒng)來(lái)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(fā)展的可能性 1微傳感器的不時(shí)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

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，傳感器系統(tǒng)。今天正在出現(xiàn)大量的微傳感器。*可以實(shí)現(xiàn)微傳感器的一個(gè)獨(dú)立市場(chǎng)，未來(lái)

工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境維護(hù)、生產(chǎn)和加工技術(shù)以及軍事領(lǐng)域?qū)l(fā)揮很大作用。2信息處置單元體積的不時(shí)

目前器件的線寬可達(dá)0.18??m縮小　微型智能儀器的實(shí)質(zhì)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(hào)輸出。信息處置單元對(duì)應(yīng)于宏觀的CPU由于微電子技術(shù)的發(fā)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(tǒng)微電子的集成度更高。

不只有各種傳感器的敏感資料和結(jié)構(gòu)，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)。一個(gè)微型智能儀器中。還要有模擬電路、數(shù)字電路、信息存儲(chǔ)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(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。可為微型智能儀器的發(fā)展提供。2．2微型

往往智能儀器發(fā)展的肯定性 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。

還要進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定等，要根據(jù)傳感器的自身進(jìn)行前置電路的設(shè)計(jì)。不只花費(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)心它輸出即可，其它均由智能儀器自身完成。模

也肯定對(duì)微型智能儀器提出同樣的要求。2信息處置的發(fā)展　信息獲取和處置越來(lái)越快，塊化的趨勢(shì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的肯定趨勢(shì)。人們進(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

既能完成激進(jìn)智能儀器的所有工作，可以作為一個(gè)計(jì)算機(jī)的外圍部件。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、利息低，目前已

信息處置單元的價(jià)格下降、體積減小，有很大發(fā)展。多傳感器的集成已有許多研究效果。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

同樣重要的還有規(guī)范化問(wèn)題。目前傳感器的種類非常多，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(duì)不同

因此必需有一個(gè)制造標(biāo)準(zhǔn)，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(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。這就意味著必需

微型智能儀器才干走向蓬勃的發(fā)展道路。2．4展望 目前，建立微型智能儀器的各種規(guī)范。只有遵循這些規(guī)范。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)

有的已產(chǎn)業(yè)化。Argnonn國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出一種氣體微傳感器，始。運(yùn)用電解電量計(jì)通過(guò)一個(gè)陶瓷金屬傳感夾層發(fā)生電信號(hào)，這種傳感器帶有計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以處置簡(jiǎn)單的采樣信號(hào)并進(jìn)行訓(xùn)練、識(shí)別、分類等；

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)的不時(shí)發(fā)展，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。可見(jiàn)。其技術(shù)不時(shí)幼稚，價(jià)格將不斷降低，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷

而且能在自動(dòng)化技術(shù)、航天、軍事、生物技術(shù)、醫(yī)療領(lǐng)域起到*的作用，擴(kuò)大。不但能夠具有激進(jìn)儀器功能。例如，目前要同時(shí)丈量一個(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)要插進(jìn)幾

這增加了感染的機(jī)會(huì)，個(gè)管子。微型智能儀器能同時(shí)丈量多參數(shù)，而體積小、可植入人體，使這些問(wèn)題得到解決 ［3］ 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)