納米測量技術與微型智能儀器的特點及應用介紹

納米測量技術是納米科學技術的基礎學科之一。納米科學技術的快速發(fā)展，不但給納米測量技術提出了挑戰(zhàn)，同時也給納米測量技術提供了全新發(fā)展的機遇。綜述了國內外納米測量技術發(fā)展的現(xiàn)狀，重點討論了納米材料、納米電子學和納米生物學等領域所涉及的納米測量與性能表征的難題和挑戰(zhàn)，論述了納米科技成果給納米測量技術帶來的發(fā)展機遇，最后對納米測量技術的發(fā)展方向做了展望。

微型智能儀器指微電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器。它能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理，控制信號的輸出、放大、與其他儀器的接口、與人的交互等功能。微型智能儀器隨著微電子機械技術的不斷發(fā)展，其技術不斷成熟，價格不斷降低，因此其應用領域也將不斷擴大。它不但具有傳統(tǒng)儀器的功能，而且能在自動化技術、航天、軍事、生物技術、醫(yī)療領域起到獨特的作用。例如，目前要同時測量一個病人的幾個不同的參量，并進行某些參量的控制，通常病人的體內要插進幾個管子，這增加了病人感染的機會，微型智能儀器能同時測量多參數(shù)，而且體積小，可植入人體，使得這些問題得到解決。

1.納米測量技術

納米測量技術涉及傳感器技術、探針技術、定位技術、掃描探針顯微鏡(SPM)技術等。

1.1傳感器技術

在現(xiàn)代工業(yè)生產尤其是自動化生產過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產過程中的各個參數(shù)，使設備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產品達到最好的質量。因此可以說，沒有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產也就失去了基礎。傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之廣泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。由此可見，傳感器技術在發(fā)展經濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。

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，從而達到測微目的。電容傳感器靈敏度很高，并可進行非接觸測量，成為納米測量中重要的傳感器。

光學位移傳感器測量的基本原理都是邁克爾遜干涉儀。干涉條紋的寬度為0.5λ，約0.2μm。通過細分達到納米分辨率。

1.2探針技術

納米測量，特別是納米三維形貌的測量，經常應用探針技術。探針技術可分為接觸式探針技術和非接觸式探針技術。探針技術直接影響三維形貌測量的橫向分辨率。

接觸式探針技術最為典型的是輪廓儀(如Taylorsurf系列)，一般最大行程為150mm，探針最小直徑為0.1μm左右。采用電容或電感傳感器檢測探針縱向位移，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，難以達到納米級。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0.7μN的作用力，在納米尺度的測量中，這樣的力是致命的。作為傳感部分，光學系統(tǒng)的分辨率取決于光波長和可靠細分的程度，其極限是0.5nm；LVDT的分辨率很高，可對10pm緩慢變化值具有明顯響應，且分辨率還可能提高；電容傳感器的性能相當好，還有很大潛力。

非接觸式掃描探針技術，一般是通過光束生成光探針，從而進行非接觸式三維形貌測量。光探針技術主要問題是探針光斑的最小值和傳感器所能探測到最小光斑的能力。

綜上所述，在掃描探針技術中，垂直分辨率達到納米不成問題，而橫向分辨率的提高是關鍵。橫向分辨率，無論采用接觸式探針技術還是非接觸式探針技術，都較難達到納米尺度，這是由探針本身尺寸決定的。

1.3 STM/AFM及相關技術

STM:scanning tunneling microscope即掃描隧道顯微鏡。隧道掃描顯微技術是在1981年有賓尼和羅拉爾發(fā)明的，這種設備具有高靈敏度，并且可獲得0.01nm的縱向分辨率。這種設備不但可以應用于超高真空里（UHV-STM），而且可應用于大氣環(huán)境里（大氣STM技術）和液體狀態(tài)下（電解質STM技術）。

AFM全稱Atomic Force Microscope,即原子力顯微鏡，它是繼掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope）之后發(fā)明的一種具有原子級高分辨的新型儀器，可以在大氣和液體環(huán)境下對各種材料和樣品進行納米區(qū)域的物理性質包括形貌進行探測，或者直接進行納米操縱；現(xiàn)已廣泛應用于半導體、納米功能材料、生物、化工、食品、醫(yī)藥研究和科研院所各種納米相關學科的研究實驗等領域中，成為納米科學研究的基本工具。

在納米領域中，令人感到振奮的是掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)的出現(xiàn)。1982年，國際商業(yè)機器公司蘇黎世實驗室開發(fā)出世界上第一臺STM，使人類能夠直接觀察到納米世界。以后，各種新型掃描探針顯微鏡，如AFM、激光力顯微鏡(LFM)、磁力顯微鏡(MFM)、靜電力顯微鏡(EFM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)等不斷被開發(fā)出來，大大擴展了被觀察的材料范圍和應用場所。

以STM/AFM為基礎發(fā)展的顯微鏡，可統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡(SPM)。它們大都能觀測到納米尺度，以它們?yōu)榛A，進行適當?shù)母脑?，可進行納米測量。SPM應用于納米測量時，提供了一個直徑非常小的非接觸式探針，從而極大地提高了測量分辨率。

1.4納米測量用SPM必須解決的問題

SPM（Statistical Parametric Mapping）是由UCL（University College London）的Wellcome Trust Centre中心的成員及其合作者開發(fā)的應用于神經影像的軟件。Statistical Parametric Mapping 是用來驗證功能影像數(shù)據(jù)假說的一種能創(chuàng)建和評估的空間的統(tǒng)計方法。這些想法可被軟件實現(xiàn)，這個軟件就是SPM.SPM軟件包用來分析腦的影像數(shù)據(jù)序列。這個序列可以是來自同一目標，不同隊列或時間的一系列圖像。目前版本可用來分析fMRI（Functional Magnetic Resonance Imaging,功能磁共振成像），PET（Positron Emission Tomography,正電子發(fā)射斷層掃描），SPECT,EEG（electroencephalo- graph,腦電圖）和MEG（magnetoencephalogram,腦磁圖）。

(1)必須能滿足相應科學儀器的技術要求

作為測量儀器，必須盡量符合測量儀器的所有準則，如阿貝原理等。

(2)所測得的量值必須能溯源到計量基準

作為測量儀器進行納米測量，本質就是納米被測尺度和納米級測量基準的比對，因此，測量值必須能夠與現(xiàn)有的測量基準進行傳遞。

(3)提高SPM測量精度

測量用SPM由掃描器、微探針、測量控制系統(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(pyramid shaped)和圓柱式(cone shaped tip)；測量和控制系統(tǒng)用光學、電容或電感方法來測量針尖的微小位移；隔振系統(tǒng)一般有懸掛彈簧式、彈簧阻尼式等,它們均是影響測量精度的重要指標。有以下幾個研究內容：

a.減小壓電陶瓷誤差

SPM的掃描器由壓電陶瓷制成，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，軟件補償減小非線性和蠕變誤差。

b.減小掃描器的結構誤差

掃描器結構誤差導致了交叉誤差，如一維壓電陶瓷，在x方向加電壓時，引起了y、z方向的位移，從而導致誤差。通過對所測數(shù)據(jù)進行二次曲線擬合或整體曲面擬合去除交叉誤差。

c.減小測量系統(tǒng)的結構誤差

從測量學的基本原理可知，在高精度測量時，測量系統(tǒng)的結構應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系

SPM探針的尖端幾何形狀與采集的數(shù)椐密切相關。測量針尖的曲率半徑越小，測量結果越接近真實形貌。為了提高測量精度，必須對微探針的幾何形狀進行精確的控制和測量。使用時，兼顧樣品表面的精細程度，選取合適曲率半徑和縱橫比的探針。

1.5其它納米測量技術

其它的納米測量技術還很多，如激光納米測量技術就有納米零差檢測法、納米外差檢測法、納米混頻檢測法等。下面簡介幾種納米測量技術。

(1)光學近場掃描技術

目前光學顯微技術的分辨率受到衍射規(guī)律的影響而被限制在500nm的掃描范圍內。為了消除衍射現(xiàn)象，將光學掃描定位于目標表面以內50nm處。這種情況下儀器就處于光學的“近場”。可用錐形波束導向器探測被研究表面的輻射量子。光學近場掃描技術的橫向分辨率可達10nm，可用來研究納米微區(qū)的光學性質。

(2)納米光探針掃描外差干涉儀原理

激光器發(fā)出的激光束經分光鏡被分為兩束：一束光經聲光調制器后，其頻率為f+f1，該光束經一定的光路進入光電探測器；另一束經過聲光調制器，其頻率為f+f2，該光束經反射鏡后被物鏡會聚照射到被測表面上，反射后也進入光電探測器，以上兩束激光在至少有f1-f2的頻率度的探測器上合成即發(fā)生外差干涉。通過干涉信號獲得表面的信息。

(3)X射線干涉儀原理

早期的實驗證明，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數(shù)量級，于是Laue在1912年建議用晶體作為衍射光柵。讓X射線通過硫酸銅晶體，在它后面的感光膠片上就能得到中間黑點和外圍對稱分布的一些明點圖樣，叫Laue圖。與可見光柵相似，中心明點與可見光的衍射一樣是零級最大值，而外圍明點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柵類似，不過是光線變?yōu)椴ㄩL更短的X射線，接收信號是干涉條紋而已。

1.6展望

縱觀納米測量技術發(fā)展的歷程，它的研究主要向兩個方向發(fā)展：一是在傳統(tǒng)的測量方法基礎上，應用先進的測試儀器解決應用物理和微細加工中的納米測量問題，分析各種測試技術，提出改進的措施或新的測試方法；二是發(fā)展建立在新概念基礎上的測量技術，利用微觀物理、量子物理中最新的研究成果，將其應用于測量系統(tǒng)中，它將成為未來納米測量的發(fā)展趨向。

但納米測量中也存在一些問題限制了它的發(fā)展。建立相應的納米測量環(huán)境一直是實現(xiàn)納米測量亟待解決的問題之一，而且在不同的測量方法中需要的納米測量環(huán)境也是不同的，目前應該建立一個合適的納米環(huán)境，尋求新的測量原理和多種技術的綜合應用。同時，對納米材料和納米器件的研究和發(fā)展來說，表征和檢測起著至關重要的作用。由于人們對納米材料和器件的許多基本特征、結構和相互作用了解得還不很充分，使其在設計和制造中存在許多的盲目性，現(xiàn)有的測量表征技術就存在著許多問題。此外，由于納米材料和器件的特征長度很小，測量時產生很大擾動，以至產生的信息并不能完全代表其本身特性。這些都是限制納米測量技術通用化和應用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測量無論是在理論上，還是在技術和設備上都需要深入研究和發(fā)展。

2.微型智能儀器

微型智能儀器指微電子技術、微機械技術、信息技術等綜合應用于儀器的生產中，從而使儀器成為體積小、功能齊全的智能儀器，能夠完成信號的采集、線性化處理、數(shù)字信號處理、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。微型智能儀器屬于微電子機械系統(tǒng)的研究范疇。使用時，只需按系統(tǒng)的需要，選取不同微型智能儀器進行組合即可。微型智能儀器是儀器和微電子機械技術結合后的一個必然發(fā)展趨勢，它的實現(xiàn)將帶來儀器技術、傳感器技術、信息技術等的重大變化。

微型智能儀器通常采用微電子機械技術將多傳感器集成在一起，再與處理信號的信息處理單元和控制輸出件集成。根據(jù)需要，可測量和評定所感興趣的參數(shù)，并向需要的地方傳輸控制信號。這個系統(tǒng)，可以估測由相互干擾產生的噪聲。在人體中，傳感信號通過神經系統(tǒng)來接收并傳給大腦，由大腦用天然的“并行計算系統(tǒng)”可靠準確地測評它們，最后再控制相應的執(zhí)行器官，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)微傳感器的不斷發(fā)展

目前，傳感器有越來越小的趨勢。通過MEMS技術可以實現(xiàn)單一的微傳感器到極小尺寸的集成傳感器系統(tǒng)。今天正在出現(xiàn)大量的微傳感器，它們很有發(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技術為支持，完全可以實現(xiàn)微傳感器的一個獨立市場，在未來的工業(yè)自動化、環(huán)境保護、生產和加工技術以及軍事領域將發(fā)揮很大作用。

(2)信息處理單元體積的不斷縮小

微型智能儀器的本質就是多傳感器的集成、傳感器與信息處理單元的集成、信息處理和控制信號輸出。信息處理單元對應于宏觀的CPU。由于微電子技術的發(fā)展，目前器件的線寬可達0.18μm，微電子的集成度更高，因此可把微型傳感器、信息處理單元、輸出電路集成為智能儀器。

(3)封裝、系統(tǒng)集成、模數(shù)電路的集成等技術的發(fā)展

微型智能儀器幾乎要涉及所有的MEMS技術。在一個微型智能儀器中，不僅有各種傳感器的敏感材料和結構，還要有模擬電路、數(shù)字電路、信息存儲電路、信息處理電路等。這就需要解決一些相應的關鍵技術如封裝、系統(tǒng)集成、連接技術、模數(shù)電路集成等。這些問題已經在MEMS技術中得到一定的解決，因此在今后的研究中，可為微型智能儀器的發(fā)展提供技術支持。

2.2微型智能儀器發(fā)展的必然性

(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，往往要根據(jù)傳感器的本身進行前置電路的設計，還要進行系統(tǒng)的標定等，不僅花費大量時間，而且結果往往不理想。而微型智能儀器是一個模塊，對使用者，只需關心它的輸出即可，其它均由智能儀器本身完成。模塊化的趨勢是系統(tǒng)設計的必然趨勢，也必然對微型智能儀器提出同樣的要求。

(2)信息處理的發(fā)展信息獲取和處理越來越快，人們在進行信號采集時，希望許多工作由CPU以外的器件完成。微型智能儀器可以作為一個計算機的外圍部件，它既能完成傳統(tǒng)智能儀器的所有工作，同時又把有用信息傳輸給計算機。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、成本低，目前已有很大發(fā)展。多傳感器的集成已有許多研究成果，信息處理單元的價格下降、體積減小，模擬數(shù)字電路在硅片上集成，這些技術有著相同的技術基礎，因此可以利用目前一些集成技術或經過進一步發(fā)展，完成微型智能儀器系統(tǒng)的集成。

2.3技術上的問題

技術上的問題不僅是如何制造，同樣重要的還有標準化問題。目前傳感器的種類非常多，原理各異，采用同樣的處理電路和信息處理單元是不可能的。而對不同量程、不同原理的傳感器又不可能每一種研制一套信息處理單元電路，因此必須有一個制造標準，在不同功能、不同加工方法的微構件集成在一起時，使眾多的問題有相應的指導規(guī)范。這就意味著必須建立微型智能儀器的各種標準。只有遵循這些標準，微型智能儀器才能走向蓬勃的發(fā)展道路。

3.結語

納米測量技術伴隨著納米科學全面進入21世紀，它不僅帶動科技的發(fā)展，同時也能促進經濟的發(fā)展。納米測量技術將成為人們征服自然、探索自然的強有力的工具。

微型智能儀器是儀器的重要發(fā)展方向，它將創(chuàng)造更多的市場，使我們的生活更加舒適、生產更加方便。