光電測(cè)試技術(shù)論文(2)
光電測(cè)試技術(shù)論文
光電測(cè)試技術(shù)論文篇二
納米光電測(cè)控技術(shù)研究
[摘 要] 納米技術(shù)的發(fā)展使得人來(lái)在改造自然方面進(jìn)入了一個(gè)新的層次,作為一項(xiàng)面向21世紀(jì)的高新技術(shù),對(duì)國(guó)民生活和軍事技術(shù)帶來(lái)巨大的改變。納米技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械加工行業(yè)精度水平的提高必須以超高精度的納米測(cè)控技術(shù)的發(fā)展作為基礎(chǔ)和先導(dǎo)。本文詳細(xì)介紹了納米光電測(cè)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。
[關(guān)鍵詞]納米 光電 測(cè)控技術(shù)
納米科學(xué)與技術(shù),有時(shí)簡(jiǎn)稱為納米技術(shù),是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。它主要包括納米材料、納米動(dòng)力學(xué)、納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)、納米電子學(xué)等四個(gè)方面。納米級(jí)材料工程是指用于納米技術(shù)的材料開發(fā),主要應(yīng)用于功能織物、醫(yī)學(xué)生物工程、電子工業(yè)、催化劑、超微傳感器等幾個(gè)方面。納米級(jí)加工技術(shù)納米加工技術(shù)在納米技術(shù)的各領(lǐng)域也起著關(guān)鍵作用,包含機(jī)械加工、能量束加工、化學(xué)腐蝕以及掃描隧道顯微鏡加工等許多方法。然而,納米級(jí)的測(cè)控技術(shù)是制約納米技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
我國(guó)測(cè)控領(lǐng)域的科研人員經(jīng)過(guò)四十多年長(zhǎng)期探索,不斷研究,克服了各種困難,利用光、機(jī)、電、算多學(xué)科綜合,發(fā)展了一整套微/納米光電測(cè)控新技術(shù),研制出新一代測(cè)控儀器,已經(jīng)成功地應(yīng)用于軍用、民用很多領(lǐng)域,取得了明顯效果。
一、納米光電測(cè)控技術(shù)
納米光電測(cè)控技術(shù)以納米計(jì)量光柵為核心元件,配以光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)讀取、信號(hào)處理以及超精機(jī)械,形成各種測(cè)量?jī)x器,可直接用于測(cè)量或控制長(zhǎng)度、位移等多種幾何量。具有測(cè)量精度高、量程大、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)主要由傳感器和數(shù)顯裝置兩部分組成。利用該項(xiàng)技術(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有自動(dòng)求最大值、最小值、峰峰值、公英制轉(zhuǎn)換、置數(shù)、打印、復(fù)位、自檢等功能,同時(shí)還具有RS232串行通訊接口,與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)等連接后可進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。納米測(cè)控技術(shù)包括納米級(jí)的測(cè)量技術(shù)和納米級(jí)的定位控制技術(shù)兩個(gè)方面。
1.納米測(cè)量技術(shù)
目前,納米級(jí)測(cè)量技術(shù)的主要發(fā)展方向有光干涉測(cè)量技術(shù)和掃描顯微技術(shù)等,以表面粗糙度和表面形貌等為測(cè)量對(duì)象。
(1) 光外差干涉儀
光外差探測(cè)是一種對(duì)光波振幅、頻率和相位調(diào)制信號(hào)的檢波方法,可以對(duì)于光強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)。光外差干涉儀是使用兩種不同頻率的單色光作為測(cè)量光束和參考光束,通過(guò)光電探測(cè)器的混頻,輸出差頻信號(hào)(受光電探測(cè)器頻響的限制,頻差一般在100兆赫以內(nèi))的儀器。被測(cè)物體的變化如位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、大氣擾動(dòng)等引起的光波相位變化或多普勒頻移載于此差頻上,經(jīng)解調(diào)即可獲得被測(cè)數(shù)據(jù)的儀器。目前,通常使用的干涉條紋圖的測(cè)量方法,在進(jìn)行納米級(jí)測(cè)量時(shí)有非常大的局限性。因此利用外差干涉測(cè)量技術(shù),可以得到0。1nm的空間分辨率,測(cè)量范圍可達(dá)50mm,促進(jìn)了納米技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
(2) X射線干涉儀
X射線干涉儀以非常穩(wěn)定的單晶硅晶格作為長(zhǎng)度單位,可以實(shí)現(xiàn)亞納米精度的微位移測(cè)量。
可見(jiàn)光和縈外光的干涉條紋間距為數(shù)百納米,這種間距不易測(cè)量。而利用射線的超短波長(zhǎng)干涉測(cè)量技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)0。005nm分辨率的位移測(cè)量,測(cè)量范圍可達(dá)200μm,是一種測(cè)量范圍大較易實(shí)現(xiàn)的納米級(jí)測(cè)量方法。近年來(lái),又產(chǎn)生了X射線形貌測(cè)量?jī)x,它采用掠人射角的射線來(lái)測(cè)量超光滑表面形貌。
(3) 激光頻率分裂測(cè)長(zhǎng)
激光頻率分裂的值與分裂元件的位移有關(guān)。通過(guò)測(cè)頻率測(cè)位移,精度已達(dá)到1nm,進(jìn)一步穩(wěn)定激光頻率可達(dá)到0.01nm,測(cè)量范圍為150μm。
(4) 掃描探針顯微(SPM)技術(shù)
SPM實(shí)際上是一個(gè)很大的家族,它包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、激光力顯微鏡、光子掃描隧道顯微鏡及掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等等,利用它們可以用來(lái)測(cè)量非導(dǎo)體、磁性物質(zhì),甚至有機(jī)生物體的納米級(jí)表面。
掃描探針顯微(SPM)技術(shù)是在掃描隧道顯微鏡(STM)發(fā)明取得巨大成就的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的各種新型顯微鏡。它們的原理都是通過(guò)檢測(cè)一個(gè)非常微小的探針(磁探針、靜電力探針、電流探針、力探針),與被測(cè)表面進(jìn)行不接觸各種相互作用(電的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等),借助納米級(jí)的三維位移定位控制系統(tǒng),測(cè)出該表面的三維微觀立體形貌,在納米級(jí)的尺度上研究各種物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)以及各種相關(guān)的性質(zhì)。
掃描探針顯微技術(shù)(SPM)具有以下特點(diǎn):(1)具有原子級(jí)的高分辨率。STM的橫向分辨率可達(dá)到0.1nm,垂直表面方向分辨率可達(dá)0.01nm,這是目前所有顯微技術(shù)當(dāng)中分辨率最高的。(2)可以觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)。STM觀察的是表面的一個(gè)或兩個(gè)原子層,即幾個(gè)納米的局域信息,而不是像光學(xué)顯微鏡和電子束顯微鏡只能獲得平均信息。(3) STM配合掃描隧道譜(STS),可以得到表面電子結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息,可以通過(guò)調(diào)節(jié)隧道結(jié)偏壓來(lái)觀察不同位置電子態(tài)密度分布,觀察電荷轉(zhuǎn)移的情況,還可以得到電子結(jié)構(gòu)的信息。(4)STM可以實(shí)時(shí)、實(shí)空間地觀察表面的三維圖像。而不像其他,例如各種衍射方法所得到的只是倒易空間的圖像,不是實(shí)空間的,而且只有進(jìn)行 “傅里葉變換”才能得到實(shí)空間圖像。(5) STM可以在不同條件下工作,例如真空、大氣、常溫、低溫、高溫、熔溫,不需要特別的制樣技術(shù),而且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷,因而擴(kuò)展了研究對(duì)象的范圍。(6) STM不僅可用于成像,還可以對(duì)表面的原子、吸附的原子或分子進(jìn)行操縱,從而進(jìn)行納米級(jí)加工,這是其他技術(shù)所不具備的一種功能。
2. 納米定位控制技術(shù)
在納米級(jí)加工與測(cè)量中,需要納米級(jí)的三維定位與控制。目前,用一個(gè)執(zhí)行元件來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的納米級(jí)定位是比較困難的。因此,實(shí)際的定位機(jī)構(gòu)多采用大位移用的執(zhí)行元件和納米級(jí)定位用的執(zhí)行元件相結(jié)合方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)三維定位與控制,目前普遍采用壓電陶瓷致動(dòng)器件,它在納米級(jí)的極小范圍內(nèi),通過(guò)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)近似的三維驅(qū)動(dòng)。此外,利用電致材料、靜電或磁軸承式結(jié)構(gòu),以及靜電致動(dòng)的高精度定位控制技術(shù),也向納米級(jí)精度發(fā)展,也可采用摩擦驅(qū)動(dòng)裝置及絲杠定位元件,通過(guò)特殊的方法進(jìn)行納米級(jí)的定位。
二、納米光電測(cè)控技術(shù)特點(diǎn)
光電測(cè)控技術(shù)采用的光電自動(dòng)測(cè)量方法是為適應(yīng)我國(guó)高速發(fā)展的測(cè)控領(lǐng)域的現(xiàn)狀而逐步研究、開發(fā)形成的,并以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)逐步成為當(dāng)今世界范圍內(nèi)的一種新型、高精度的測(cè)試手段。它采用現(xiàn)代高科技手段,測(cè)試精度涵蓋了微米、亞納米及納米領(lǐng)域。
這種新型測(cè)控技術(shù),具有許多重要的特點(diǎn):
(1)首先,它的應(yīng)用覆蓋面特別寬,既可用于微米、亞微米量級(jí),也可用于納米量級(jí);既可用于傳統(tǒng)機(jī)械、傳統(tǒng)儀器的更新改造,又可用于尖端科技的高層突破;
(2)其次,技術(shù)上綜合性很強(qiáng),光、機(jī)、電、算容為一體,具備了純機(jī)械、純電學(xué)、純光學(xué)等傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)很難達(dá)到的優(yōu)越性;
(3)再次,它的應(yīng)用范圍特別寬廣,軍用上,如常規(guī)武器的改造提高;航空航天的各種測(cè)控等;民用上,傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)上的更新改造、制造業(yè)的技術(shù)提高等。
三、最近研究成果
目前世界上已出現(xiàn)了一些能達(dá)到納米量級(jí)的測(cè)量?jī)x器,但在測(cè)量范圍和實(shí)用性上尚不能完全滿足實(shí)際要求。中國(guó)青旅實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司所屬標(biāo)普納米測(cè)控技術(shù)有限公司開發(fā)的兩項(xiàng)科技成果在很大程度上彌補(bǔ)了這一領(lǐng)域存在的不足,對(duì)微/納米測(cè)控技術(shù)和相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。這不僅表明我國(guó)微/納米光電測(cè)控技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平,而且對(duì)解決目前制約我國(guó)高新技術(shù)、傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展及新材料研制過(guò)程中的計(jì)量問(wèn)題,推動(dòng)世界精密計(jì)量?jī)x器的升級(jí)換代也具有重要意義,同時(shí)標(biāo)志著世界微/納米測(cè)控技術(shù)向更精微邁進(jìn)了重要一步。
“納米測(cè)長(zhǎng)儀”是一種通用長(zhǎng)度傳感器,它的研制成功表明長(zhǎng)度通用量具已經(jīng)提高到了納米量級(jí),并且從靜態(tài)人工讀數(shù)發(fā)展到數(shù)字化自動(dòng)顯示。其數(shù)顯分辨率達(dá)到1納米,測(cè)量重復(fù)性(標(biāo)準(zhǔn)偏差)為0.8-1.2nm,在未作誤差修正的前提下,10mm測(cè)量范圍內(nèi)示值誤差優(yōu)于±0.06μm。與國(guó)際上同類儀器相比,它在分辨率、重復(fù)性、準(zhǔn)確度和短時(shí)穩(wěn)定性等主要技術(shù)指標(biāo)上,都處于國(guó)際領(lǐng)先水平。它用途廣泛,技術(shù)獨(dú)特,生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于國(guó)外同類產(chǎn)品,推廣應(yīng)用前景廣闊。
“量塊快速檢測(cè)儀”是一種新型的量塊檢測(cè)儀器,它成功的將納米測(cè)長(zhǎng)儀應(yīng)用到量塊檢測(cè)上,將直接測(cè)量與比較測(cè)量結(jié)合起來(lái),對(duì)名義尺寸10mm及10mm以下的量塊實(shí)現(xiàn)了直接測(cè)量。該儀器測(cè)量分辨率達(dá)到1nm,直接測(cè)量范圍10mm,比較測(cè)量范圍110mm,與國(guó)外同類儀器相比,主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。該儀器還可以與計(jì)算機(jī)連接通訊,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理,從而提高了量塊檢驗(yàn)速度,減輕了檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于其對(duì)環(huán)境溫度不敏感,現(xiàn)有基層計(jì)量室不必提高溫控要求即可推廣使用。該儀器經(jīng)濟(jì)實(shí)用,適合基層計(jì)量室檢測(cè)三等及三等以下量塊。該科技成果在納米光柵的制造與檢測(cè)、納米光柵的信號(hào)讀取、光電信號(hào)的高質(zhì)量處理和超精機(jī)構(gòu)的加工改進(jìn)等四方面均具有獨(dú)創(chuàng)性,集光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)多學(xué)科于一體,開發(fā)難度大。國(guó)內(nèi)外多家科研單位曾致力于該種儀器的研究,但都沒(méi)能取得突破性進(jìn)展。
四、結(jié)論與建議
納米光電測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用,將極大地促進(jìn)我國(guó)新材料技術(shù)的研發(fā),對(duì)于各種新型材料的加工、檢測(cè)及生產(chǎn)高精度新型材料的機(jī)械設(shè)備的制造等都有著舉足輕重的意義。同時(shí),納米光電測(cè)控技術(shù)解決了當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展在測(cè)控方面面臨的十分棘手的難題,具有劃時(shí)代的意義。
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