纳米测量技术与微型智能仪器

  纳米测量技术指尺度为0.01nm~100nm的测量技术。在纳米技术中,纳米测量技术、纳米加工技术和纳米结构并列为纳米技术的三大研究主题。纳米测量技术的研究是纳米技术研究的重要组成部分。

  微型智能仪器将在21世纪仪器发展中占有重要的地位,各种微型智能仪器都将发挥重要的作用。微型智能仪器可把不同的微型机械电子系统(MEMS)组装在一起。它既有固定部件,又有活动部件,并向微芯片的集成化方向发展;既可以是专用仪器,又可以是通用仪器;可以是分系统的组合,也可是单独的系统。可进行模块化的组合,根据不同的用途完成不同的使用要求。微型智能仪器有着极其广阔的应用前景,是MEMS技术发展的重要方向之一。

  1.纳米测量技术

  纳米测量技术涉及传感器技术、探针技术、定位技术、扫描探针显微镜(SPM)技术等。

  1.1传感器技术

  无论何种纳米测量技术都必须依靠传感器。目前进行纳米测量的传感器主要分为电感传感器、电容传感器、光干涉传感器三类。

  在高精度测量中,电感传感器应用最广。一般电感传感器有线性差动变压器(LVDT)和线性差动电感器(LVDI)两种形式,它们都是当铁磁线圈的位置变化引起磁场的变化,通过测量磁场变化达到测量位移的目的。

  电容位移传感器采用平行极板之间的电容变化来反映两极板距离变化,从而达到测微目的。电容传感器灵敏度很高,并可进行非接触测量,成为纳米测量中重要的传感器。

  光学位移传感器测量的基本原理都是迈克尔逊干涉仪。干涉条纹的宽度为0.5λ,约0.2μm。通过细分达到纳米分辨率。

  1.2探针技术

  纳米测量,特别是纳米三维形貌的测量,经常应用探针技术。探针技术可分为接触式探针技术和非接触式探针技术。探针技术直接影响三维形貌测量的横向分辨率。

  接触式探针技术最为典型的是轮廓仪(如Taylorsurf系列),一般最大行程为150mm,探针最小直径为0.1μm左右。采用电容或电感传感器检测探针纵向位移,可以得到0.5nm纵向分辨率。横向分辨率受探针尖直径的限制,难以达到纳米级。接触式探针仪器存在两方面的问题:其一是探针和被测表面的相互作用问题;其二是传感系统的潜力问题。接触式探针和被测表面存在0.7μN的作用力,在纳米尺度的测量中,这样的力是致命的。作为传感部分,光学系统的分辨率取决于光波长和可靠细分的程度,其极限是0.5nm;LVDT的分辨率很高,可对10pm缓慢变化值具有明显响应,且分辨率还可能提高;电容传感器的性能相当好,还有很大潜力。

  非接触式扫描探针技术,一般是通过光束生成光探针,从而进行非接触式三维形貌测量。光探针技术主要问题是探针光斑的最小值和传感器所能探测到最小光斑的能力。

  综上所述,在扫描探针技术中,垂直分辨率达到纳米不成问题,而横向分辨率的提高是关键。横向分辨率,无论采用接触式探针技术还是非接触式探针技术,都较难达到纳米尺度,这是由探针本身尺寸决定的。

  1.3 STM/AFM及相关技术

  在纳米领域中,令人感到振奋的是扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)的出现。1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室开发出世界上第一台STM,使人类能够直接观察到纳米世界。以后,各种新型扫描探针显微镜,如AFM、激光力显微镜(LFM)、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜(EFM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)等不断被开发出来,大大扩展了被观察的材料范围和应用场所。

  以STM/AFM为基础发展的显微镜,可统称为扫描探针显微镜(SPM)。它们大都能观测到纳米尺度,以它们为基础,进行适当的改造,可进行纳米测量。SPM应用于纳米测量时,提供了一个直径非常小的非接触式探针,从而极大地提高了测量分辨率。

  1.4纳米测量用SPM必须解决的问题

  (1)必须能满足相应科学仪器的技术要求

  作为测量仪器,必须尽量符合测量仪器的所有准则,如阿贝原理等。

  (2)所测得的量值必须能溯源到计量基准

  作为测量仪器进行纳米测量,本质就是纳米被测尺度和纳米级测量基准的比对,因此,测量值必须能够与现有的测量基准进行传递。

  (3)提高SPM测量精度

  测量用SPM由扫描器、微探针、测量控制系统及隔振系统组成。扫描器由压电陶瓷组成;微探针的几何形状通常是金字塔式(pyramid shaped)和圆柱式(cone shaped tip);测量和控制系统用光学、电容或电感方法来测量针尖的微小位移;隔振系统一般有悬挂弹簧式、弹簧阻尼式等,它们均是影响测量精度的重要指标。有以下几个研究内容:

  a.减小压电陶瓷误差

  SPM的扫描器由压电陶瓷制成,减小压电陶瓷误差对测量数据的影响的方法是,采用电荷控制压电陶瓷和单向扫描去除迟滞误差,软件补偿减小非线性和蠕变误差。

  b.减小扫描器的结构误差

  扫描器结构误差导致了交叉误差,如一维压电陶瓷,在x方向加电压时,引起了y、z方向的位移,从而导致误差。通过对所测数据进行二次曲线拟合或整体曲面拟合去除交叉误差。

  c.减小测量系统的结构误差

  从测量学的基本原理可知,在高精度测量时,测量系统的结构应尽可能符合阿贝测量原理。

  d.兼顾探针和样品之间的相互作用关系

  SPM探针的尖端几何形状与采集的数椐密切相关。测量针尖的曲率半径越小,测量结果越接近真实形貌。为了提高测量精度,必须对微探针的几何形状进行精确的控制和测量。使用时,兼顾样品表面的精细程度,选取合适曲率半径和纵横比的探针。

  1.5其它纳米测量技术

  其它的纳米测量技术还很多,如激光纳米测量技术就有纳米零差检测法、纳米外差检测法、纳米混频检测法等。下面简介几种纳米测量技术。

  (1)光学近场扫描技术

  目前光学显微技术的分辨率受到衍射规律的影响而被限制在500nm的扫描范围内。为了消除衍射现象,将光学扫描定位于目标表面以内50nm处。这种情况下仪器就处于光学的“近场”。可用锥形波束导向器探测被研究表面的辐射量子。光学近场扫描技术的横向分辨率可达10nm,可用来研究纳米微区的光学性质。

  (2)纳米光探针扫描外差干涉仪原理

  激光器发出的激光束经分光镜被分为两束:一束光经声光调制器后,其频率为f+f1,该光束经一定的光路进入光电探测器;另一束经过声光调制器,其频率为f+f2,该光束经反射镜后被物镜会聚照射到被测表面上,反射后也进入光电探测器,以上两束激光在至少有f1-f2的频率度的探测器上合成即发生外差干涉。通过干涉信号获得表面的信息。

  (3)X射线干涉仪原理

  早期的实验证明,X射线波长的数量级约为0.1nm,晶体中的原子间距也是这个数量级,于是Laue在1912年建议用晶体作为衍射光栅。让X射线通过硫酸铜晶体,在它后面的感光胶片上就能得到中间黑点和外围对称分布的一些明点图样,叫Laue图。与可见光栅相似,中心明点与可见光的衍射一样是零级最大值,而外围明点则是由于原子的外层电子在X射线的作用下,二次发射的散射光所叠加的效果。

  X射线干涉仪原理与光栅类似,不过是光线变为波长更短的X射线,接收信号是干涉条纹而已。

  1.6展望

  纳米测量技术受到世界各国的普遍重视,发达国家纷纷制定纳米测量技术的发展战略。作为纳米分辨率的测量传感器早已出现,扫描电子显微镜(SEM)在30年代就已发明。但人类在研究纳观世界时,更重视对三维状态的定量研究。笔者认为,目前能够真正进行三维形貌纳米测量的只有各种基于STM/AFM的SPM技术,大多数SPM可达纳米分辨率的水平,对它们改造可获得各种计量型SPM。

  当SPM作为纳米测量仪器时,两个问题值得更多的研究:其一是把微探针作为一种非接触式测量时,如何提高测量精度和扩大测量范围;另一问题是通过纳米加工技术加工出可以直接溯源到现有基准的纳米样板。只有这样,纳米技术才能适用于更多的场所,真正成为人们进行纳米技术研究的有力工具。

  2.微型智能仪器

  微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中,从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器,能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理、控制信号的输出、放大、与其它仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器属于微电子机械系统的研究范畴。使用时,只需按系统的需要,选取不同微型智能仪器进行组合即可。微型智能仪器是仪器和微电子机械技术结合后的一个必然发展趋势,它的实现将带来仪器技术、传感器技术、信息技术等的重大变化。

  微型智能仪器通常采用微电子机械技术将多传感器集成在一起,再与处理信号的信息处理单元和控制输出件集成。根据需要,可测量和评定所感兴趣的参数,并向需要的地方传输控制信号。这个系统,可以估测由相互干扰产生的噪声。在人体中,传感信号通过神经系统来接收并传给大脑,由大脑用天然的“并行计算系统”可靠准确地测评它们,最后再控制相应的执行器官,微型智能仪器可望具有类似的功能。

  2.1微型智能仪器发展的可能性

  (1)微传感器的不断发展

  目前,传感器有越来越小的趋势。通过MEMS技术可以实现单一的微传感器到极小尺寸的集成传感器系统。今天正在出现大量的微传感器,它们很有发展前途和广阔的市场前景。世界市场容量的年增加量大约是20%,而且有很多竞争者。以MEMS技术为支持,完全可以实现微传感器的一个独立市场,在未来的工业自动化、环境保护、生产和加工技术以及军事领域将发挥很大作用。

  (2)信息处理单元体积的不断缩小

  微型智能仪器的本质就是多传感器的集成、传感器与信息处理单元的集成、信息处理和控制信号输出。信息处理单元对应于宏观的CPU。由于微电子技术的发展,目前器件的线宽可达0.18μm,微电子的集成度更高,因此可把微型传感器、信息处理单元、输出电路集成为智能仪器。

  (3)封装、系统集成、模数电路的集成等技术的发展

  微型智能仪器几乎要涉及所有的MEMS技术。在一个微型智能仪器中,不仅有各种传感器的敏感材料和结构,还要有模拟电路、数字电路、信息存储电路、信息处理电路等。这就需要解决一些相应的关键技术如封装、系统集成、连接技术、模数电路集成等。这些问题已经在MEMS技术中得到一定的解决,因此在今后的研究中,可为微型智能仪器的发展提供技术支持。

  2.2微型智能仪器发展的必然性

  (1)模块化的发展模块化发展能够给人们提供极大的方便。目前的传感器,往往要根据传感器的本身进行前置电路的设计,还要进行系统的标定等,不仅花费大量时间,而且结果往往不理想。而微型智能仪器是一个模块,对使用者,只需关心它的输出即可,其它均由智能仪器本身完成。模块化的趋势是系统设计的必然趋势,也必然对微型智能仪器提出同样的要求。

  (2)信息处理的发展信息获取和处理越来越快,人们在进行信号采集时,希望许多工作由CPU以外的器件完成。微型智能仪器可以作为一个计算机的外围部件,它既能完成传统智能仪器的所有工作,同时又把有用信息传输给计算机。这样使测控系统更加简洁,效率提高。

  (3)系统集成的继续发展微型传感器体积小、成本低,目前已有很大发展。多传感器的集成已有许多研究成果,信息处理单元的价格下降、体积减小,模拟数字电路在硅片上集成,这些技术有着相同的技术基础,因此可以利用目前一些集成技术或经过进一步发展,完成微型智能仪器系统的集成。

  2.3技术上的问题

  技术上的问题不仅是如何制造,同样重要的还有标准化问题。目前传感器的种类非常多,原理各异,采用同样的处理电路和信息处理单元是不可能的。而对不同量程、不同原理的传感器又不可能每一种研制一套信息处理单元电路,因此必须有一个制造标准,在不同功能、不同加工方法的微构件集成在一起时,使众多的问题有相应的指导规范。这就意味着必须建立微型智能仪器的各种标准。只有遵循这些标准,微型智能仪器才能走向蓬勃的发展道路。

  2.4展望

  目前,微型智能仪器的有关研究还很少,但相关技术研究却很多,例如,各类微型传感器的研制已经开始,有的已产业化。Argnonne国家重点实验室研制出一种气体微传感器,运用电解电量计通过一个陶瓷金属传感夹层产生电信号,这种传感器带有计算的神经网络,可以处理简单的采样信号并进行训练、识别、分类等;资料描述了多种传感器的集成、数据融合以及应用等问题。可见,微型智能仪器的研究有一定基础。

  微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展,其技术不断成熟,价格将不断降低,因此其应用领域也将不断扩大。它不但能够具有传统仪器功能,而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用,例如,目前要同时测量一个病人的几个不同的参量,并进行某些量的控制,通常病人的体内要插进几个管子,这增加了感染的机会,微型智能仪器能同时测量多参数,而体积小、可植入人体,使这些问题得到解决。微型智能仪器的使用将变得十分简单,因此微型智能仪器具有巨大的市场和应用前景。

  3.结语

  纳米测量技术伴随着纳米科学全面进入21世纪,它不仅带动科技的发展,同时也能促进经济的发展。纳米测量技术将成为人们征服自然、探索自然的强有力的工具。

  微型智能仪器是仪器的重要发展方向,它将创造更多的市场,使我们的生活更加舒适、生产更加方便。
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