简述纳米测量技术与微型智能仪器

　　纳米测量技术是纳米科学技术的基础学科之一。纳米科学技术的快速发展，不但给纳米测量技术提出了挑战，同时也给纳米测量技术提供了全新发展的机遇。综述了国内外纳米测量技术发展的现状，重点讨论了纳米材料、纳米电子学和纳米生物学等领域所涉及的纳米测量与性能表征的难题和挑战，论述了纳米科技成果给纳米测量技术带来的发展机遇，最后对纳米测量技术的发展方向做了展望。

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。它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、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。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，价格不断降低，因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能，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，并进行某些参量的控制，通常病人的体内要插进几个管子，这增加了病人感染的机会，微型智能仪器能同时测量多参数，而且体积小，可植入人体，使得这些问题得到解决。

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

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

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

STM:scanning tunneling microscope即扫描隧道显微镜。隧道扫描显微技术是在1981年有宾尼和罗拉尔发明的，这种设备具有高灵敏度，并且可获得0.01nm的纵向分辨率。这种设备不但可以应用于超高真空里（UHV-STM），而且可应用于大气环境里（大气STM技术）和液体状态下（电解质STM技术）。

AFM全称Atomic Force Microscope,即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，或者直接进行纳米操纵；现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研