精密测量技术
一、背景研究
随着社会的发展，普通机械加工的加工误差从过去的mm级向“m级发展，精密加工则从10 p,m级向炉级发展，超精密加工正在向nm级工艺发展。由此，制造业对精密测量仪器的需求越来越广泛，同时误差要求也越来越高。精密测量是精密加工中的重要组成部分，精密加工的误差要依靠测量准确度来保证。目前，对于测量误差已经由“m级向nm级提升，而且这种趋势一年比一年迅猛[1]。
二、概述
现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，它和精密超精密加工技术相辅相成，为精密超精密加工提供了评价和检测手段；精密超精密加工水平的提高又为精密测量提供了有力的仪器保障。现代测量技术涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持，在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势，作为下世纪的重点发展目标，各国在微/ 纳米测量技术领域开展了广泛的应用研究[1]。
三、测量技术及应用特点
3.1扫描探针显微镜
1981年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜(STM),将人们带到了微观世界。STM具有极高的空间分辨率（平行和垂直于表面的分辨率分别达到0.1nm 和0.01nm,即可分辨出单个原子),广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域,在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似
原理与结构,相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界
面纳米尺度上表现出来性质的扫描探针显微镜(SPM)，用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息,成为人类认识微观世界的有力工具。下面
介绍几种具有代表性的扫描探针显微镜。
(1)原子力显微镜（AFM）:AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面起伏而上下运动,通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的
位移,实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测,从而得到表面形貌信息。利用类似AFM的工作原理,检测被测表面特性对受迫振动力敏元件产生的影响,在探
针与表面10～100nm距离范围,可探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力,相继开发磁力显微镜、静电力显微镜、摩擦力显微镜等,统称为扫描力显微镜。
(2)光子扫描隧道显微镜(PSTM): PSTM的原理和工作方式与STM相似,后者
利用电子隧道效应,而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激
起的瞬衰场,其强度随距界面的距离成函数关系,获得表面结构信息。
(3)其它显微镜:如扫描隧道电位仪(STP)可用来探测纳米尺度的电位变化;扫
描离子电导显微镜(SICM)适用于进行生物学和电生理学研究;扫描热显微镜(STM)已经获得血红细胞的表面结构;弹道电子发射显微镜(BEEM)则是目前唯一
能够在纳米尺度上无损检测表面和界面结构的先进分析仪器,国内也已研制成功。
3.2纳米测量的扫描Ｘ射线干涉技术
以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率,不能给出表面结构准确的
纳米尺寸,是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度(0.10～0.01nm)尺寸测量
的定标手段。美国NIST和德国PTB分别测得硅(220)晶体的晶面间距为
192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm(飞米fm也叫费米,是长度单位,1fm相
当于10～15m)。日本ＮＲＬＭ在恒温下对220晶间距进行稳定性测试,发现其18
天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距有较好的稳定性。扫描
Ｘ射线干涉测量技术是微/纳米测量中一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间
距作为亚纳米精度的基本测量单位,加上Ｘ射线波长比可见光波波长小2个数量级,有可能实现0.01ｎｍ的分辨率。该方法较其它方法对环境要求低,测量稳定性好,结构简单,是一种很有潜力方便的纳米测量技术。软Ｘ射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。迈克尔逊型差拍干涉仪,适于超精细加工表面轮廓的测量,如抛光表面、精研表面等,测量表面轮廓高度变化最小可达0.5ｎｍ,横向(Ｘ,Ｙ向)测量精度可达0.3～1.0μｍ。渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中,其分辨率可达0.1nm数量级。
3.3光学干涉显微镜测量技术
光学干涉显微镜测量技术,包括外差干涉测量技术、超短波长干涉测量技术、基于F-P标准的测量技术等,随着新技术、新方法的利用亦具有纳米级测量精度。外差干涉测量技术具有高的位相分辨率和空间分辨率,如光外差干涉轮廓仪具有0.1nm分辨率;基于频率跟踪的F-P标准具测量技术具有极高的灵敏度和准确度,其精度0.001ｎｍ,其测量范围受激光器调频范围的限制,仅有0.1μｍ。而扫描电子显微镜(SEM)可使几十个原子大小物体成像。美国ZYGO公司开发的位移测量干涉仪系统,位移分辨率高于0.6nm,可在1.1ｍ/ｓ的高速下测量,适于纳米技术在半导
体生产、数据存储硬盘和精密机械中的应用。目前,在微/纳米机械中,精密测量技术的一个重要研究对象是微结构的机械性能与力学性能、谐振频率、弹性模量、残余应力及疲劳强度等。微细结构的缺陷研究,如金属聚集物、微沉淀物、微裂纹等测试技术的纳米分析技术目前尚不成熟。国外在此领域主要开展用于晶体缺陷的激光扫描层析(LST)技术,用于研究样品顶部几个微米之内缺陷情况的纳米
激光雷达技术，其探测尺度分辨率均可达1nm。
3.4双频激光干涉仪与超精密光栅尺
双频激光干涉仪测量精度高,测量范围大,因此常用于超精密机床作位置测量和位置控制测量反馈元件。但激光测量精度与空气的折射率有关,而空气折射率与湿度、温度、压力、二氧化碳含量等有关。美国NBS的研究结果说明当前双频
激光干涉仪其光路在空气中进行了各种休整与补偿,其最高精度为8.5×10-8。由于这种测量方法对环境要求过高,对生产机床在时间加工中往往过于苛刻,很难加以保证。近年来光栅技术得到了很大发展,传统自成象原理(莫尔或反射原理)的光栅尺,其动、静尺之间的距离受到限制,其距离的允差约为塔耳波特周期(ｇ-8/λ)的10%，(ｇ为光栅周期，λ为光源波长)，例如，LED光源λ=900ｎｍ,光栅条纹间隔10μｍ,则动、静尺间隙距离允差也为10μｍ,这对光栅尺的安装及运动带来困难。目前,衍射扫描干涉光栅采取偏振元件相移原理或附加光栅像相移原理。例如德国Heidenhaiin公司采用三光栅系统原理和四光栅系统原理的光栅尺可达到很高
的分辨率又有很好的可安装性。该公司的LIP382线性光栅尺,测量70mm长度,用真空中激光干涉仪进行测量最大误差不超过±0.1μｍ。这种光栅尺的光栅线周期为128nm,分辨率可达1nm,采用Zerodur材料制成几乎是零膨胀系数,动、静尺间隙为03.±0.1mm,安装和使用都很方便。上述2种测量一起,虽然精度高但价格过于昂贵。炫耀光栅是一种高精度,大范围的廉价测量仪器。炫耀光栅的定尺常刻成锯齿形条纹,如5mm×50mm,每厘米1000线,而定尺为普通光栅尺,光栅常数为20μｍ。炫耀光栅的分辨率仅取决于细光栅,因此比较容易实现大范围、高精度的测量,是一种有前途廉价化的光栅测量方式。
3.5超精密测量用电容测微仪
电容测微仪的特点是非接触测量,精度高、价格低。但测量范围有限,测量稳定性和漂移常令人不满意。美国LionPrecision公司的电容测微仪分辨率可达0.5
ｍｍ(1Hz频响),热漂移每度0.04%满量程。对于差频式电容测微仪而言，如何减少测头电缆对测量的影响是难题之一,“电缆驱动”技术可解决该问题。所研制的仪器采取集成化、小型化测量震荡器和本机震荡器的方法,将2个震荡器与测头做在一起,取消原来的测头电缆。这种测头的引出电缆送出的是经过混频后的脉冲信号,这对减少漂移,增加稳定性都有很好的效果。小型化后的测头可以方便地组成多传感器测量系统。如圆度的三传感器测量系统,直线度和平面度的四传感器测量系统。这些传感器可以对运动误差与被测工具形状误差进行分离,测得高精
