纳米测量系统的研究现状与展望

　　1　引　　言

　　纳米技术作为当前发展最迅速、研究最广泛、投入最多的科学技术之一,被誉为21世纪的科学,并且和生物工程一起被认为是未来科技的两大重要前沿[1,2]。纳米技术是包括纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量、纳米物理、纳米化学等诸多科学技术在内的一组技术的集合,其目的是研究、发展和加工结构尺寸小于100nm的材料、装置和系统,以获得具有所需功能和性能的产品。科技发达国家为抢占这一高新技术生长点、制高点,竞相将纳米技术列为21世纪战略性基础研究的优先项目,投入了大量的人力、物力和财力[3]。

　　纳米技术对许多工业领域已经开始具有非常关键的作用。它不仅将为许多技术难题提供新的解决方案和思路,而且会进一步提高人们的生活水平,并有可能在很大程度上改变人们的生活方式。从纳米精度上的机械零件的加工和装配、电子器件的生产制造、扫描探针显微镜(SPM,Scanning Probe Microscope)的发展、微型机电系统(MEMS,Micro Electro Mechanical Sys-tems)的制造,到纳米结构材料的加工和生物医学系统的制造等,纳米技术正在得到广泛的发展和应用[4]。

　　2　纳米测量系统

　　从纳米技术的发展来看,纳米测量技术的地位和作用是不容忽视的。纳米加工和制造离不开纳米测量。精密计量已不能适应纳米技术发展的要求,而且成为了纳米技术发展的瓶颈。因此,纳米测量技术和测量装置,不仅是21世纪纳米技术实用过程中必须关注的焦点,而且也是21世纪计量测试领域研究的重中之重[5]。一般来说,一套完整的纳米测量系统应该由四部分组成,即探测系统、位移系统、计量系统和信号处理及控制系统[6](如图1)。

　　目前纳米探测系统的种类繁多,比较新型的主要有:扫描电镜、共焦显微镜和扫描探针显微镜(SPM)。其中SPM可以对被测表面及近表面区域的物理特性在原子量级的水平上进行探测,位置分辨率非常高,如扫描隧道显微镜(STM,Scanning Tunneling Micro-scope)和原子力显微镜(ATM,Atomic Force Micro-scope)可以达到亚纳米级的分辨率。所以,作为纳米探测系统,SPM是非常理想的。

　　在纳米测量系统中,被测物与探测系统之间一般要产生相对运动才能测出所需参数。位移系统的作用就是产生探针相对于样品的扫描运动,它是整个纳米探测系统的基础结构框架,是其中最基础的部分。对于小范围位移,应用比较多的是压电陶瓷驱动器与基于柔性铰链机构的微动工作台组成的位移系统[7,8]。对于大范围的位移,驱动器通常有直线伺服电机,直接直线驱动等,也有采用伺服电机加丝杠螺母的,导轨一般采用气浮、磁浮或滑动的形式[9],但总的来说,目前还没有特别优秀的机构。