精密测量仪器聚集 盘点各国在微纳米测量技术领域的应用研究

 新葡亰仪器仪表     |      2019-12-17 15:27

近日,中国计量科学研究院、山东省计量科学研究院、南京市计量监督检测院、苏州市计量测试研究院、上海市计量测试技术研究院共同召开,NQI课题《纳米几何特征参量计量标准器在生物医药产业应用示范》工作会议。 该课题取得的研究成果:2项发明专利、1项校准规程、2项地方标准、5项社会公益计量标准。本次会议探讨了研究中的重点、难点问题。为课题的进一步研究划出了目标。 几何量测量方法 指测量时所采用的测量原理、计量器具相测量条件的综合。在测量过程中,应根据被测零件的特点(如材料硬度、外形尺寸、批量大小、精度要求等)和被溯对象的定义来拟定测量方案、选择计量器具和规定测量条件。 纳米计量仪器 纳米的计量并非传统计量简单拓展。微电子和超精细加工走入了纳米空间。几何测量纳米逐渐走向实用性。由于纳米的尺度接近原子极限,它的测量方法和仪器都有独特性。 一、扫描隧道显微镜 二、激光干涉仪测距 三、干涉仪(由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成) 四、X光干涉仪 五、电容式位移控制微悬臂原子力显微镜 六、描探针显微镜系列(扫描隧道显微镜、原子力显微镜等组成) 七、原子力显微镜

精密测量技术

现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科,涉及广泛的学科领域,它的发展需要众多相关学科的支持。

在现代工业制造技术和科学研究中,测量仪器具有精密化、集成化、智慧化的发展趋势。三坐标测量机是适应上述发展趋势的典型代表,它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时,作为下世纪的重点发展目标,各国在微/纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究。

三坐标测量机

三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用。

1、误差自补偿技术

德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术,使坐标测量机的测量精度在17.8~25.6℃范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技。

CNC小型坐标测量机

2、丰富的软件技术

CarlZeiss 公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX,其测量数据可以从CMM直接传送到随机配备的统计软件中去,对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理,根据要求对其进行评估。依据此数据库,可自动生成各种统计报表,包括X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。

美国公司的Cameleon测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50多个测量模块。

日本Mistutor公司研制开发了一种图形显示及绘图程序,用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较,具有多种输出方式。

STRATA-UX系统处理简图

3、非接触测量

基于三角测量原理的非接触激光光学探头应用于CMM上代替接触式探头。通过探头的扫描可以准确获得表面粗糙度信息,进行表面轮廓的三维立体测量及用于模具特征线的识别。

该方法克服了接触测量的局限性。将激光双三角测量法应用于大范围内测量,对复杂曲面轮廓进行测量,其精度可高于1μm。英国IMS公司生产的IMP型坐标测量机可以配用其它厂商提供的接触式或非接触式探头。

IMP型坐标测量机

微/纳米级精密测量技术

科学技术向微小领域发展,由毫米级、微米级继而涉足到纳米级,即微/纳米技术。

纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm,已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。

微/纳米技术的发展,离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟,如HP5528双频激光干涉测量系统、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。

因为扫描隧道显微镜、扫描探针显微镜和原子力显微镜用来直接观测原子尺度结构的实现,使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。

1、扫描探针显微镜

1981 年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜,把人们带到了微观世界。它具有极高的空间分辨率,广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域,在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时,基于STM相似的原理与结构,相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或接口纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜,用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息,成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。

原子力显微镜

为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷,Binning等人发明了AFM,AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动,通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移,实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测,从而得到表面形貌信息。

就应用而言,STM主要用于自然科学研究,而相当数量的AFM已经用于工业技术领域。1988年中国科学院化学所研制成功国内首台具有原子分辨率的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三维测量系统,可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜可使目前纳米测量技术定量化。

利用类似AFM的工作原理,检测被测表面特性对受迫振动力敏组件产生的影响,在探针与表面10~100nm距离范围,可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力,相继开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等,统称为扫描力显微镜。

原子力显微镜及工作原理

光子扫描隧道显微镜

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