不只帶動科技的發(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，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) 無論

電感傳感器應(yīng)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(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?。高精度丈量中。都是?dāng)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(dá)

從而達(dá)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(jìn)行非接觸測量，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探針縱向位移。難以達(dá)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(tǒng)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(xué)系統(tǒng)的分辨率取決于光波長和可靠細(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量。光探針技術(shù)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(dá)到納米不成問題，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)室開發(fā)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(xué)顯微鏡（SNOM等不時(shí)被開發(fā)出來，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大都能觀測到納米尺度，

進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑欤运鼮榛A(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必需解決的問題 1

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

因此，基準(zhǔn)的比對。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)、電容或電感方法來測量

減小壓電陶瓷誤差對測量數(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)研究內(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。通過對所測數(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。必需對微探針的幾何形狀進(jìn)行的控制和測量。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(shù)。1光學(xué)近場掃描技術(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”可用錐形波束導(dǎo)向器探測被術(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)近場掃描技術(shù)的橫向分辨率可達(dá)10nm可用來研究納米微區(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)反射鏡后被物鏡會聚照射到被測表面上，+f1該光束經(jīng)一定的光路進(jìn)入光電探測器；另一束經(jīng)過聲光調(diào)制器。反射后也進(jìn)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(fā)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(shù)量級約為0.1nm晶體中的原子間距也是這個(gè)數(shù)量級，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)和外圍對稱分布的一些明點(diǎn)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(diǎn)與可見光的衍射一樣是零級大值，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

不過是光線變?yōu)椴ㄩL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(shù)受到世界各

發(fā)達(dá)國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)

對它改造可獲得各種計(jì)量型SPM當(dāng)SPM作為納米丈量儀器時(shí)，SPM可達(dá)納米分辨率的水平。兩個(gè)問題值得

如何提高丈量精度和擴(kuò)大丈量范圍；另一問題是通過納米加工技術(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量時(shí)。納米技術(shù)才干適用于更多的場所，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。能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)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(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，實(shí)現(xiàn)將帶來儀器技術(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定所感興趣的參數(shù)，并向需要的地方傳輸控制信號。這個(gè)系統(tǒng)，可以估測由相互干擾發(fā)生的噪聲。人體中，傳感信號通過神經(jīng)

由大腦用天然的并行計(jì)算系統(tǒng)”可靠準(zhǔn)確地測評它后再控制相應(yīng)的執(zhí)行器官，系統(tǒng)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(fā)展的可能性 1微傳感器的不時(shí)發(fā)展　目前，傳感器有越來越小的趨勢。通過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(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，未來

工業(yè)自動化、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輸出。信息處置單元對應(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越快，塊化的趨勢是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的肯定趨勢。人們進(jìn)行信號采集時(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)。這樣使測控系統(tǒng)更加簡潔，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)過進(jìn)一步發(fā)展，完成微

同樣重要的還有規(guī)范化問題。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)上的問題 技術(shù)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(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

有的已產(chǎn)業(yè)化。Argnonn國家重點(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)通過一個(gè)陶瓷金屬傳感夾層發(fā)生電信號，這種傳感器帶有計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以處置簡單的采樣信號并進(jìn)行訓(xùn)練、識別、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)用等問題。可見。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，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(yīng)用前景。3結(jié)語