微机电系统(MEMS)促进测量学发展

　　1　引　　言

　　微机电系统(MEMS)最近十余年发展迅速,有力地推动了测量学发展。能直接插入脑神经细胞内观察和测量细胞内物质的微传感器,和采用电子隧道传感器的伺服加速度传感器是文献[1]的主要内容。扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的应用,促进计量型原子力显微镜[3]的研制和纳米测量技术的发展。以最新资料论述MEMS促进航空航天测量的发展是文献[5]的目的。本文主要从纳米、超微角位移、力学、声学、医学测量等方面的实例论述MEMS促进测量学的发展,及其具有广泛深远的意义。

　　2　纳米测量

　　2.1　生命科学中的测量

　　是现代科学技术很重要的前沿问题,是探索认识微观世界的必要和重要手段。在生命科学研究中,科学家长期盼望着能直接测量单个神经等细胞内的情况,以了解细胞的活动机理和规律等。要了解脑神经细胞内神经递质及其代谢产物浓度变化的动态信息、各种信使物质的传输过程和相互作用的机理,就必须将微探针(针内带有传感器)直接插入细胞内部,进行无损的活体动态分析及测量生物细胞内的参数。

　　2.2　电子隧道传感器[2]

　　直接观察物体内的单个原子像,也是科学家们长期奋斗的目标。扫描隧道显微镜便能直接观察到单个原子像。其横向分辨率为0.1～0.2nm,纵向分辨率可高达0.01nm。更重要的是它克服了其它电子显微镜要求样品必须处在真空中的限制。它可在大气、真空、液体环境中观察物体的自然状态下的表面现象和实际状态。可直接观察含水的生物样品,病毒和组成蛋白质分子DNA的内部结构等[2]。

　　2.3　隧道加速度传感器

　　伺服加速度传感器[1]采用隧道位移传感器后,使其分辨率从微G级一跃而为纳G级。其关键技术就是采用了隧道位移传感器。

　　2.4　计量型原子力显微镜[3]

　　扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)都是用来研究纳米范围内多种物理现象的有力工具。纳米技术是在纳米(10-9m)和原子(约10-10m)尺度上(0.1nm～100nm)研究物质(包括原子、分子)和特性及其相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。目的是直接利用物质的原子、分子及物质在纳米尺度上表现的特性,在纳米/微米尺度上制造出具有特定功能的产品。进行纳米测量的STM和AFM都需要有一个计量标准对它们进行校准。国际上第一台计量型原子力显微镜[3]的特点是在AFM上安装微型光纤传导激光干涉三维测量系统。三轴相互垂直的微位移分别由三个压电陶瓷驱动,其伸缩(线位移)量由连接在调节回路中的电容位移传感器调控(这是三套MEMS)。所以,计量型原子力显微镜主要由三维光纤传导激光干涉仪和MEMS组成。计量范围为(x,y,z)=(70μm,15μm,15μm),分辨率分别为1nm、0.25nm、0.25nm,均为纳米级。