探究微纳尺度检测的先进技术

一般来说，一套完整的微纳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。目前，考虑到微纳机电系统、纳米器件、纳米材料、生命科学、医养健康等前沿研究领域的需求，如何将测量技术与控制技术相结合，融探测、位移测量、计量、信号处理及控制等技术于一体，设计并制造出精密、新型、智能的微纳测量系统以满足不同领域的行业需求，是微纳检测技术未来发展的方向。

近年来，大范围内的纳米级三维测量机（即Nano-CMM）受到广泛的关注，成为微纳测量领域的研究热点。例如：日本东京大学等研制的Nano-CMM，可以在10 mm×10 mm×10 mm范围内实现精度为50 nm的三维测量；英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）的小范围三坐标机（SCMM）可以在50 mm×50 mm×50 mm范围内实现精度为50 nm的三维测量；德国伊尔姆瑙工业大学（Technische Universität Ilmenau）过程测试与传感技术研究所（Institute of Process Measurement and Sensor Technology，IPMS）对Nano-CMM的研究，实现了25 mm×25 mm×5 mm范围内分辨率为1.24 nm的三维测量；美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的分子测量机则可以在50 mm×50 mm×0.1 mm范围内实现精度为1 nm的三维测量；德国联邦物理技术研究所（Physikalisch-Technische Bundesanstalt，PTB）在计算机仿真与虚拟现实的基础上，首先引入了虚拟三坐标测量机（virtual CMM）的概念，对三坐标测量机的几何误差和探头系统的误差进行数学建模，考虑各种测量方案和周围环境对测量的影响。从1999到2001年的三年间，日本东京大学、日本标准研究所、德国PTB和澳大利亚标准研究所的有关权威人士组成了虚拟三坐标测量机研究小组，研究有利于三坐标测量机的准确标定和标准溯源的方法。(www.xing528.com)

除前面介绍的几种测量方法，其他表面分析技术及仪器还有薄膜偏振光椭圆率测量仪、直接成像技术、散射测量技术、红外线质谱仪、变角度变波长椭圆偏振仪、表面传感Roman质谱仪（SERS）、非弹性原子和中子散射测量仪（IAS）、核磁共振仪（NMR）、电子自旋共振仪（ESR）等。其中，变角度变波长椭圆偏振仪主要用于测量多层膜的膜厚和光学特性，是一种用于薄膜无损分析的智能化仪器，其精度可达纳米数量级，可用于确定近紫外、可见光、近红外波长区域内薄膜光学常数，如美国J.A.Wallam公司的WVASE with AutoRetardTM型变角度变波长椭圆偏振仪，其测量光谱范围为200～1700 nm连续可调，入射角度为20°～90°连续可调，其精度可达纳米数量级。浙江大学卓永模等研制成功的双焦干涉球面微观轮廓仪，解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题，该系统具有0.1 nm的纵向分辨率及小于2 μm的横向分辨率。