精密坐標測量

 

 

現代精密測量技術是一門集光學、電子、傳感器、圖像、製造及計算機技術為一體的綜合性交叉學科，涉及廣泛的學科領域，它的發展需要眾多相關學科的支持。

 

在現代工業製造技術和科學研究中
，測量儀器具有精密化
、集成化、智慧化的發展趨勢。三坐標測量機（CMM）是適應上述發展趨勢的典型代表，它幾乎可以對生產中的所有三維複雜零件尺寸

、形狀和相互位置進行高準確度測量。發展高速坐標測量機是現代工業生產的要求。同時
，作為下世紀的重點發展目標，各國在微/納米測量技術領域開展了廣泛的應用研究。

 

 

三坐標測量機作為幾何尺寸數字化檢測設備在機械製造領域得到推廣使用。

 

 

德國CarlZeiss公司最近開發的CNC小型坐標測量機采用熱不靈敏陶瓷技術
，使坐標測量機的測量精度在17.8～25.6℃範圍不受溫度變化的影響。國內自行開發的數控測量機軟件係統PMIS包括多項係統誤差補償、係統參數識別和優化技。

 

CNC小型坐標測量機

 

 

CarlZeiss公司開發的坐標測量機軟件STRATA-UX，其測量數據可以從CMMzhijiechuansongdaosuijipeibeidetongjiruanjianzhongqu，duiceliangxitonggeichudejianyanshujujinxingshishifenxiyuguanli
，genjuyaoqiuduiqijinxingpinggu。yijucishujuku
，kezidongshengchenggezhongtongjibaobiao，baokuoX-BAR&R及X_BAR&S圖表、頻率直方圖、運行圖、目標圖等。

 

美國公司的Cameleon測量係統所配支持軟件可提供包括齒輪、板材
、凸輪及凸輪軸共計50多個測量模塊。

 

日本Mistutor公司研製開發了一種圖形顯示及繪圖程序，用於輔助操作者進行實際值與要求測量值之間的比較
，具有多種輸出方式。

 

STRATA-UX係統處理簡圖

 

 

基於三角測量原理的非接觸激光光學探頭應用於CMM上代替接觸式探頭。通過探頭的掃描可以準確獲得表麵粗糙度信息，進行表麵輪廓的三維立體測量及用於模具特征線的識別。

 

該方法克服了接觸測量的局限性。將激光雙三角測量法應用於大範圍內測量
，對複雜曲麵輪廓進行測量
，其精度可高於1μm。英國IMS公司生產的IMP型坐標測量機可以配用其它廠商提供的接觸式或非接觸式探頭。

 

IMP型坐標測量機

 

 

科學技術向微小領域發展
，由毫米級、微米級繼而涉足到納米級，即微/納米技術。

 

納na米mi級ji加jia工gong技ji術shu可ke分fen為wei加jia工gong精jing度du和he加jia工gong尺chi度du兩liang方fang麵mian。加jia工gong精jing度du由you本ben世shi紀ji初chu的de最zui高gao精jing度du微wei米mi級ji發fa展zhan到dao現xian有you的de幾ji個ge納na米mi數shu量liang級ji。金jin剛gang石shi車che床chuang加jia工gong的de超chao精jing密mi衍yan射she光guang柵zha精jing度du已yi達da1nm
，已經可以製作10nm以下的線、柱
、槽。

 

微/納(na)米(mi)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)
，離(li)不(bu)開(kai)微(wei)米(mi)級(ji)和(he)納(na)米(mi)級(ji)的(de)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)與(yu)設(she)備(bei)。具(ju)有(you)微(wei)米(mi)及(ji)亞(ya)微(wei)米(mi)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)幾(ji)何(he)量(liang)與(yu)表(biao)麵(mian)形(xing)貌(mao)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)比(bi)較(jiao)成(cheng)熟(shu)
，如(ru)HP5528雙頻激光幹涉測量係統（精度10nm）、具有1nm精度的光學觸針式輪廓掃描係統等。

 

因為掃描隧道顯微鏡、掃描探針顯微鏡和原子力顯微鏡用來直接觀測原子尺度結構的實現
，使得進行原子級的操作
、裝配和改形等加工處理成為近幾年來的前沿技術。

 

 

1981年美國IBM公司研製成功的掃描隧道顯微鏡，把人們帶到了微觀世界。它具有極高的空間分辨率
，廣泛應用於表麵科學、材料科學和生命科學等研究領域，在一定程度上推動了納米技術的產生和發展。與此同時，基於STM相似的原理與結構，相繼產生了一係列利用探針與樣品的不同相互作用來探測表麵或接口納米尺度上表現出來的性質的掃描探針顯微鏡（SPM）

，用來獲取通過STM無法獲取的有關表麵結構和性質的各種信息
，成為人類認識微觀世界的有力工具。下麵為幾種具有代表性的掃描探針顯微鏡。

 

（1）原子力顯微鏡（AFM）

 

為了彌補STM隻限於觀測導體和半導體表麵結構的缺陷，Binning等人發明了AFM，AFMliyongweitanzhenzaiyangpinbiaomianhuaguoshidaidonggaominganxingdeweixuanbiliangsuibiaomiandeqifuershangxiayundong，tongguoguangxuefangfahuosuidaodianliujiancechuweixuanbiliangdeweiyi
，shixiantanzhenjianduanyuanziyubiaomianyuanzijianpaichilijiance
，congerdedaobiaomianxingmaoxinxi。

 

就應用而言，STM主要用於自然科學研究，而相當數量的AFM已經用於工業技術領域。1988年中國科學院化學所研製成功國內首台具有原子分辨率的AFM。安裝有微型光纖傳導激光幹涉三維測量係統
，可自校準和進行絕對測量的計量型原子力顯微鏡可使目前納米測量技術定量化。

 

利用類似AFM的工作原理


，檢測被測表麵特性對受迫振動力敏組件產生的影響，在探針與表麵10～100nm距離範圍，可以探測到樣品表麵存在的靜電力、磁力、範德華力等作用力，相繼開發磁力顯微鏡、靜電力顯微鏡、摩擦力顯微鏡等，統稱為掃描力顯微鏡。

 

原子力顯微鏡及工作原理

 

（2）光子掃描隧道顯微鏡（PSTM）

 

PSTM的原理和工作方式與STM相(xiang)似(si)，後(hou)者(zhe)利(li)用(yong)電(dian)子(zi)隧(sui)道(dao)效(xiao)應(ying)，而(er)前(qian)者(zhe)利(li)用(yong)光(guang)子(zi)隧(sui)道(dao)效(xiao)應(ying)探(tan)測(ce)樣(yang)品(pin)表(biao)麵(mian)附(fu)近(jin)被(bei)全(quan)內(nei)反(fan)射(she)所(suo)激(ji)起(qi)的(de)瞬(shun)衰(shuai)場(chang)，其(qi)強(qiang)度(du)隨(sui)距(ju)接(jie)口(kou)的(de)距(ju)離(li)成(cheng)函(han)數(shu)關(guan)係(xi)，獲(huo)得(de)表(biao)麵(mian)結(jie)構(gou)信(xin)息(xi)。

 

光子掃描隧道顯微鏡

 

（3）其它顯微鏡

 

如掃描隧道電位儀（STP）可用來探測納米尺度的電位變化；掃描離子電導顯微鏡（SICM）適用於進行生物學和電生理學研究；掃描熱顯微鏡已經獲得了血紅細胞的表麵結構
；彈道電子發射顯微鏡（BEEM）則是目前唯一能夠在納米尺度上無損檢測表麵和接口結構的先進分析儀器，國內也已研製成功。

 

掃描隧道電位儀

 

 

以SPM為基礎的觀測技術隻能給出納米級分辨率，卻不能給出表麵結構準確的納米尺寸
，這是因為到目前為止缺少一種簡便的納米精度（0.10～0.01nm）尺寸測量的定標手段。

 

美國NIST和德國PTB分別測得矽（220）晶體的晶麵間距為192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒溫下對220晶間距進行穩定性測試
，發現其18天的變化不超過0.1fm。實驗充分說明單晶矽的晶麵間距具有較好的穩定性。

 

掃描X射線幹涉測量技術是微/納米測量中的一項新技術，它正是利用單晶矽的晶麵間距作為亞納米精度的基本測量單位，加上X射線波長比可見光波波長小兩個數量級，有可能實現0.01nm的分辨率。該方法較其它方法對環境要求低，測量穩定性好，結構簡單，是一種很有潛力的方便的納米測量技術。

 

自從1983年D.G.Chetwynd將其應用於微位移測量以來，英、日

、意大利相繼將其應用於納米級位移傳感器的校正。國內清華大學測試技術與儀器國家重點實驗室在1997年5月利用自己研製的X射線幹涉器件在國內首次清楚地觀察到X射線幹涉條紋。軟X射線顯微鏡、掃sao描miao光guang聲sheng顯xian微wei鏡jing等deng用yong以yi檢jian測ce微wei結jie構gou表biao麵mian形xing貌mao及ji內nei部bu結jie構gou的de微wei缺que陷xian。邁mai克ke爾er遜xun型xing差cha拍pai幹gan涉she儀yi，適shi於yu超chao精jing細xi加jia工gong表biao麵mian輪lun廓kuo的de測ce量liang，如ru拋pao光guang表biao麵mian、精研表麵等，測量表麵輪廓高度變化最小可達0.5nm，橫向（X
，Y向）測量精度可達0.3～1．0μm。渥拉斯頓型差拍雙頻激光幹涉儀在微觀表麵形貌測量中

，其分辨率可達0.1nm數量級。

 

邁克爾遜型差拍幹涉儀

 

 

光學幹涉顯微鏡測量技術
，包括外差幹涉測量技術
、超短波長幹涉測量技術
、基於F-P（Ferry-Perot）標準的測量技術等，隨著新技術、新方法的利用亦具有納米級測量精度。外差幹涉測量技術具有高的位相分辨率和空間分辨率，如光外差幹涉輪廓儀具有0.1nm的分辨率
；基於頻率跟蹤的F-P標準具測量技術具有極高的靈敏度和準確度，其精度可達0.001nm，但其測量範圍受激光器的調頻範圍的限製，僅有0.1μm。而掃描電子顯微鏡（SEM）可使幾十個原子大小的物體成像。

 

美國ZYGO公司開發的位移測量幹涉儀係統，位移分辨率高於0.6nm，可在1.1m/s的高速下測量
，適於納米技術在半導體生產、數據存儲硬盤和精密機械中的應用。

 

目前，在微/納米機械中，精密測量技術一個重要研究對象是微結構的機械性能與力學性能、諧振頻率、彈性模量、殘餘應力及疲勞強度等。微細結構的缺陷研究，如金屬聚集物、微沉澱物
、微(wei)裂(lie)紋(wen)等(deng)測(ce)試(shi)技(ji)術(shu)的(de)納(na)米(mi)分(fen)析(xi)技(ji)術(shu)目(mu)前(qian)尚(shang)不(bu)成(cheng)熟(shu)。國(guo)外(wai)在(zai)此(ci)領(ling)域(yu)主(zhu)要(yao)開(kai)展(zhan)用(yong)於(yu)晶(jing)體(ti)缺(que)陷(xian)的(de)激(ji)光(guang)掃(sao)描(miao)層(ceng)析(xi)技(ji)術(shu)，用(yong)於(yu)研(yan)究(jiu)樣(yang)品(pin)頂(ding)部(bu)幾(ji)個(ge)微(wei)米(mi)之(zhi)內(nei)缺(que)陷(xian)情(qing)況(kuang)的(de)納(na)米(mi)激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)技(ji)術(shu)
，其(qi)探(tan)測(ce)尺(chi)度(du)分(fen)辨(bian)率(lv)均(jun)可(ke)達(da)到(dao)1nm。

 

以激光波長為已知長度利用邁克耳遜幹涉係統測量位移

 

 

隨著近代科學技術的發展
，幾何尺寸與形位測量已從簡單的一維、二維坐標或形體發展到複雜的三維物體測量，從宏觀物體發展到微觀領域。 正確地進行圖像識別測量已經成為測量技術中的重要課題。

 

圖像識別測量過程包括：（1）圖像信息的獲取；（2）圖像信息的加工處理
，特征提取；（3）判斷分類。計算機及相關計算技術完成信息的加工處理及判斷分類，這些涉及到各種不同的識別模型及數理統計知識。

 

圖像測量係統一般由以下結構組成。以機械係統為基礎

，線陣、麵陣電荷耦合器件CCD或全息照相係統構成攝像係統；信息的轉換由視頻處理器件完成電荷信號到數字信號的轉換；計算機及計算技術實現信息的處理和顯示；回饋係統包括溫度誤差補償
，攝像係統的自動調焦等功能；載物工作台具有三坐標或多坐標自由度，可以精確控製微位移。

 

圖像測量係統結構

 

 

物體三維輪廓測量方法中
，有三坐標法、幹涉法
、穆爾等高線法及相位法等。而非接觸電荷耦合器件CCD是近年來發展很快的一種圖像信息傳感器。它具有自掃描、光電靈敏度高
、幾何尺寸精確及敏感單元尺寸小等優點。隨著集成度的不斷提高、結構改善及材料質量的提高，它已日益廣泛地應用於工業非接觸圖像識別測量係統中。

 

在對物體三維輪廓尺寸進行檢測時，采用軟件或硬件的方法，如解調法
、多項式插值函數法及概率統計法等
，測量係統分辨率可達微米級。也有將CCD應用於測量半導體材料表麵應力的研究。

 

 

全息照相測量技術是60年nian代dai發fa展zhan起qi來lai的de一yi種zhong新xin技ji術shu，用yong此ci技ji術shu可ke以yi觀guan察cha到dao被bei測ce物wu體ti的de空kong間jian像xiang。激ji光guang具ju有you極ji好hao的de空kong間jian相xiang幹gan性xing和he時shi間jian相xiang幹gan性xing
，通tong過guo光guang波bo的de幹gan涉she把ba經jing物wu體ti反fan射she或huo透tou射she後hou，光guang束shu中zhong的de振zhen幅fu與yu相xiang位wei信xin息xi。

 

超精密測量技術所代表的測量技術在國防、航天
、航空、航海
、鐵道、機械、輕工、化工
、電子
、電力、電信
、鋼鐵、石油、礦山、煤炭、地質
、勘kan側ce等deng領ling域yu有you極ji其qi廣guang泛fan的de應ying用yong
，在zai國guo民min經jing濟ji建jian設she中zhong占zhan有you重zhong要yao的de地di位wei。在zai發fa展zhan高gao端duan裝zhuang備bei製zhi造zao業ye的de背bei景jing下xia，提ti高gao我wo國guo在zai超chao精jing密mi測ce量liang方fang麵mian的de科ke研yan實shi力li和he技ji術shu水shui平ping
，成cheng為wei不bu得de不bu解jie決jue的de迫po切qie問wen題ti。

 

本文轉載自傳感器技術。