（机械制造及其自动化专业论文）纳米精度测量与校准系统关键技术研究.pdf

西北工业大学博士论文 论文题目： 专业： 博士生： 指导导师： 纳米精度测量与校准系统关键技术研究 机械工程 黎永前签字： 朱名铨教授签字： 摘要 ( 随着现代制造技术精度的不断提高，发展纳米测量技术、建立纳米计量 测试标准是计量与测试技术研究中十分重要的课题。林论文是基于“纳米 校准技术研究”课题部分关键技术研究以及航空科学基金“纳米精度测量 与校准中微位移驱动定位系统研究”中的理论研究成果形成的。 论文开展的创新性工作包括以下几个方面： 1 相位偏移干涉移相误差补偿技术研究。在研究相位偏移干涉测量 技术基础上，重点研究了五幅算法计算精度及移相误差对计算结果的影 响；提出了四幅算法及五幅算法移相误差补偿方法。悝论分析及模拟仿真 结果显示，该方法可以补偿移相过程中一阶移相误差及二阶移相误差对相 位偏移干涉测量精度的影响。采用相位偏移干涉仪试验验证了上述补偿方 法的有效性 2 相位偏移干涉测量技术在纳米精度测量与校准系统中的应用研究。 将相位偏移干涉测量技术应用于测量与校准系统运动转角误差测量，初步 试验验证了该方法的可行性。 3 外差式激光干涉仪非线性误差分析研究。从理论上研究了双频激 光干涉仪非线性误差产生的原因；分析了直流偏量、等幅性偏差、正交误 差对比相法相位测量结果的影响： 4 外差式激光干涉仪非线性误差补偿技术研究。在研究于涉测量非 线性误差补偿原理的基础上，提出一种基于待检偏测量信号参数估计原理 的非线性误差补偿方法。( 设计了试验验证方案，采用改变密封玻璃腔内气 体压力的方法模拟纳米级微位移。试验结果表明，该补偿方法可以较好地 修f 双频激光干涉仪由于频率泄漏造成的非线性测量误差，使测量不确定 度减少二分之一。阜 5 柔性铰链结构参数分析。研究了二维复合式悬臂梁柔性铰链模态 频率、静态特性与铰链结构参数之间的关系；建立了结构参数和力学特性 西北工业大学博士论文 之间的对应关系；研究了基于复合式悬臂梁柔性铰链的二维十字对称柔性 铰链结构，对其模态频率以及位移应力特性进行仿真试验：( 结果表明此种 结构形式的运动对称性很好；其驱动位移与结构体最大拉压应力值之间接 近线性关系，而且这种结构可以得到1 0 0 “i t i 以上的运动位移。乒 6 基于二维十字对称柔性铰链结构的微位移工作台试验测试。利用 单频激光干涉仪测试其运动定位误差特性，相位偏移干涉法测试运动转角 误差，光电自准仪测试其运动偏摆误差。f 该研究为纳米精度校准技术系统 中位移驱动与定位装置研究提供了基础，试验数据为测量数据综合误差补 偿技术研究奠定了基础。 7 关键词：纳米计量i 校准玎相位偏移干涉；外差式干涉仪? 柔性铰链 误差补偿 西北工业大学博士论文 t i t l e ：t h e k e y t e c h n i c a lr e s e a r c ho f m a j o r ： n a m e ： s u p e r v i s o r ： a c c u r a c y m e a s u r e m e n t sa n d s y s t e m s m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g l iy o n g q i a n z h u m i n g q u a n s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a b s t r a c t n a n o m e t e r c a l i b r a t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ea c c u r a t eo ft h em o d e r nm a n u f a c t u r e ，r e s e a r c h o nn a n o m e t e rm e a s u r e m e n tm e t h o da n de s t a b l i s h i n go fn a n o m e t e rc a l i b r a t i o n s y s t e m sh a sb e e no n ei m p o r t a n td o m a i n t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e du p o nt h e p r o j e c t ”t h er e s e a r c ho nn a n o m e t e rc a l i b r a t i o n ”( n o 6 0 10 210 2 ) ，a n dt h e “s t u d y o f m i c r o p o s i t i o ns y s t e m s f o rn a n o m e t e rp r e c i s i o nc a l i b r a t i o n t e c h n o l o g y ”f n o 0 1 1 5 3 0 7 7 ) s u p p o r t e db yt h ea e r o n a u t i cs c i e n c ef o u n d a t i o n o fc h i n a t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ed e v i a t i o ni n t r o d u c e d b y r e f e r e n c e p h a s es h i f t i n g e r r o r so n f o u r s t e p sa n df i v e s t e p sa l g o r i t h ma r ea n a l y z e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f p h a s ea l g o r i t h m ，an o v e lc o m p e n s a t i o nm e t h o do fr e f e r e n c ep h a s e s h i f t i n g e r r o ri sd e s c r i b e df o rf o u r - s t e p sa l g o r i t h ma n dt h ef i v e s t e p sa l g o r i t h m t h e t h e o r e t i ca n a l y s i sa n dd a t as i m u l a t i o ni n d i c a t et h a tt h ep h a s ed e v i a t i o na r i s i n g f r o mt h ef i r s ta n dt h es e c o n dh a r m o n i cr e f e r e n c ep h a s e - s h i f t i n ge r r o r sc a nb e e l i m i n a t e du s i n gt h i sm e t h o d b yu s i n gap h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t e rw i t h r e s o l u t i o no f0 1a m ，t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o dw a s e x p e r i m e n t a l l y v e r i f i e d 2 t h e a p p l i c a t i o no ft h ep h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y i nn a n o m e t e r a c c u r a c ym e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o ns y s t e m s ( n a m c s ) i ss t u d i e d t h e m e a s u r i n gs y s t e mt om e a s u r et h ed i m e n s i o n a lr o t a t i o ne r r o r so f t h en a m c s i sc o n f i g u r e d t h ep r i n e i p i u me x p e r i m e n tv e r i f i e dt h i sm e t h o d 3 t h e n o n - l i n e a r i t y e r r o r si nt h e h e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t r y i s i n v e s t i g a t e d f o rt h eh e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t e ru s e d w i t h i nt h en a n o m e t e ra n d s u b n a n o m e t e rr e g i o n ，t h e f r e q u e n c yl e a k a g e sd u et o t h ei m p e r f e c t o p t i c a l e l e m e n t sa n dt h et h e r m a ln o n l i n e a r i t yd r i f tr e s t r i c ti t s u n c e r t a i n t yt o a b o u t 2 0 n m am o r e c o m p r e h e n s i v e t h e o r e t i c a n a l y s i s f o rt h i s n o n - l i n e a r i t y o f h e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t e ri sg i v e n t h ec o n t r i b u t i o no f t h ep h a s eq u a d r a t u r e e r r o r ，t h ev a r i a b l eg a i n sa n dt h em e a nl e v e l st ot h eu n c e r t a i n t yo ft h ep h a s e m e t e ra r ed i s c u s s e d 4 t h e c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y f o r n o n l i n e a r i t y e r r o r si n h e t e r o d y n e m 西北工业大学博士论文 i n t e r f e r o m e t r yi s s t u d i e d o n en o v e ln o n 1 i n e a r i t y c o m p e n s a t i o nm e t h o di s p r o p o s e d b a s e do nt h e p a r a m e t e r s e s t i m a t i o no ft h ed i s c r e t e i n t e r f e r e n c e s i g n a l s t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o m p e n s a t i o nm e t h o dc o n s i d e r i n g p h a s e q u a r t e re r r o r s ，u n e q u a la m p l i t u d ea n dt h ed c c o m p o n e n t sa r es i m u l a t e d t h e e x p e r i m e n t ss e t u pi sf o u n d e d ，i nw h i c ht h em i c r o d i s p l a c e m e n ti ss i m u l a t e d b yt h ev a r i a t i o no ft h eg a s sr e f r a c t i v ei n d e xi nt h ec l o s e dg l a s sc a v i t y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dm a k e si tp o s s i b l et or e d u c et h eu n c e r t a i n t yf r o m 2 0 n mt ol e s st h a n10 n m 5 t h es t r u c t u r eo ft h ec a n t i l e v e rf l e x u r eh i n g e si sa n a l y z e d t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h em o d e f r e q u e n c y , s t a t i c c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef r a m e w o r k p a r a m e t e r sa r es t u d i e d at w o d i m e n s i o nc r o s s e d s y m m e t r i cc a n t i l e v e rf l e x u r e h i n g ei si n v e s t i g a t e du s i n gf i n i t e e l e m e n t sm e t h o d t h es i m u l a t i o no ft h e m o d ef r e q u e n c ya n dt h es t u d yo ft h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n t sa n d t h es t r e s si n d i c a t et h a tt h i sf l e x u r eh i n g eh a sg o o df l e x i b i l i t ya n dl i n e a r i t y b e t w e e nt h ed i s p l a c e m e n ta n dt h em a x i m u ms t r e s s m o r e o v e ri t sm o t i o nr a n g e r e a c h e st om o r et h a nl o o um 1 0 0um 6 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o ft h em o t i o n s p e c i f i c a t i o n s o ft w o d i m e n s i o n s t a g e b a s e do na b o v ec r o s s e d s y m m e t r i c f l e x u r e h i n g e t h e p o s i t i o n e r r o r sa r em e a s u r e d b y t w od i m e n s i o n s i n g l e - f r e q u e n c y l a s e r i n t e r f e r o m e t e r ，t h ep i t c ha n dy a we r r o r s a r et e s t e d u s i n gp h a s es h i f t i n g i n t e r f e r o m e t e rw i t har e s o l u t i o no f0 1 n m t h el i n e a r i t ya l o n gm o t i o na x i si s i n v e s t i g a t e db ya u t o c o l l i m a t o rw i t h 0 0l ”u n c e r t a i n t y t h e s e e x p e r i m e n t s e s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o nf o r t h eo r i e n t a t i o n s y s t e m i nt h es u b j e c to f n a n o m e t e ra c c u r a c ym e a s u r e m e n ta n dc a l i b r a t i o ns y s t e m s ( n a m c s ) a n d t h ed a t ap r o v i d et h ei n f o r m a t i o nf o rt h es y n t h e s i z ec o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：n a n o m e t e rm e t r o l o g y ；c a l i b r a t i o n ； p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t e r ； h e t e r o d y n ei n t e r f e r o m e t e r ；e r r o rc o m p e n s a t i o n ； f l e x u r eh i n g e 1 v 西北工业大学博士学位论文 麟缝诠 1 1 纳米精度测量技术及其发展 1 1 1 纳米精度测量学应用背景 纳米科学是在纳米尺度( 1 0 - g m ) 和原子尺度( 1 1 0 0 r i m ) 上研究物质的特性、 相互作用以及如何使用这些特性的多学科交叉的前沿科学。纳米测量技术是随着纳 米及微米技术的发展而诞生的- f 新兴的学科。在上世纪最后十年，制造技术向着 微型化方向发展，生物技术向着基因组分析方向发展，微电子制造向超大规模集成 电路方向发展，这些领域以及m e m s 技术的发展对测量技术提出了纳米测量及计量 的要求。如下是几个相关领域在几何尺寸上的进展，从中可以看出对纳米精度测量 及校准技术的发展需求。 超精密机械1 1 1 1 ：纳米级加工的含义是达到纳米级加工精度、包含纳米级尺寸 精度、纳米级几何形状精度和纳米级表面质量。用金刚石刀具超精密切削有色金属 和非金属、采用金属结合剂砂轮在线电解修整砂轮的镜面磨肖q 技术，已经可以加工 出r a 0 0 2 o 0 0 2i xm 的镜面。 微细加工技术：采用电子束加工时，加速电子将其能量转化成热能以去除穿透 层表面的原子。当电子束聚焦成0 1um 的光束照射敏感材料时，可以刻蚀o 11 tm 的线条宽度，该技术在集成电路制造中得到广泛应用。离子束直径可以达到o 1 n m 的数量级，采用离子束直接将工件表面的原子碰撞出去的加工方法在理论上可以得 到精确的形状和纳米级的线条宽度，聚焦离子束刻蚀技术已成功地应用于材料表面 改性。l i g a 技术是微型机械制造技术中非常有用的工艺，它采用深度同步x 射线 光刻技术，已经制造出最大高度为1 0 0 0 1 tm 、高宽比为2 0 0 、加工精度为o 1 “m 的 立体微结构。 微型机电系统( m e m s ) ：美国斯坦福大学已经研制出直径2 0 1 1m 、长度1 5 0 1 t m 的铰链连杆机构，2 1 0 u m 1 0 0 u m 的滑块机构、转子直径2 0 0 l a m 静电电机 以及流量为2 0 r r d m i n 的液体泵；美国加州大学伯克利分校试制出直径为6 0 “m 的 静电电机，直径为5 0 l - tm 的旋转关节以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧；贝尔实验室 开发出直径为4 0 0p1 1 1 的齿轮。 基于以上相关领域制造技术的发展需求，世界各国测量组织及计量单位在纳米 西北工业大学博士学位论文 精度测量及校准技术研究中已经取得长足发展。发展纳米测量学可以通过两个途径， 一是传统分析技术，主要指电子束、离子束和光子束技术。高性能透射电子显微镜 和扫描电子显微镜在纳米测量中占有极重要的地位，其测量分辨率已经分别达到 0 1 0 2r i f t l 和0 6 3 0 n m ，被广泛用于表征、分析纳米材料和生物大分子的微结构 和性能。电子显微镜技术正面临的突破性关键技术包括，影响电子显微镜分辨率的 电磁透镜球差系数补偿技术、高亮度场发射技术及能量过滤技术、发展x 射线能量 色散谱仪和电子能量损失谱仪、电子衍射、低温和环境试样室等技术。 第二个途径则是创造新的测量技术、建立新原理和新方法。1 9 8 4 年b i n n i g 和 r o h r e r 发明的扫描隧道显微镜( s t m ) ，为人类在原子级和纳米级水平上研究物质 表面原子、分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质开辟了新的途径。 迄今为止，在s t m 基础上发展起来的原子力显微镜( a r m ) 、电化学扫描隧道显微镜、 磁力显微镜等统称为扫描探针显微镜( s p m ) ，作为纳米测量技术强有力的工具推 动了纳米测量学的发展。近场光学显微镜( s n o m ) 、光子扫描隧道显微镜( p s t m ) 以及各种谱学分析手段与s p m 结合的新纳米测量技术已经相继出现，成为纳米测 量技术的研究热点，推动了纳米测量学的发展。 光学干涉测量方法中广泛采用光学倍程技术、干涉条纹电子细分技术和电子倍 频技术，这些技术的采用在很大程度上提高了光学干涉仪的测量分辨率，理论上可 以实现纳米、亚纳米甚至皮米量级分辨率。但是由于测量精度的提高不仅与测量原 理有关，还包括诸多外界干扰误差，其理论与实践之间还存在较大的差距，这种理 论与实践之间的差距使得激光干涉的设计和研究成为非常活跃的领域，出现了不同 的测量原理和方案。以下仅就双频激光外差式干涉技术的应用及进展进行简单回顾， 从中可以看出纳米精度测量技术研究所涉及的问题与领域。 1 1 2 外差式激光干涉仪测量技术 外差式干涉仪使用频差在2 m h z 到1 0 0 0 m h z 之间的两种频率激光作为干涉仪 的光源，其基本原理是将被测位移量转化为外差信号的频率或相位变化，再将这种 变化解调出来。由于外差信号频率接近现有光电检测器件响应频率，采用光电信号 倍频及细分技术后，系统分辨率可以得至提高。 外差干涉仪的特点是在保证测量精度提高的情况下容易实现大范围测量，是目 前应用最为广泛的干涉仪之一。美国h p 公司z e e m a n 效应双频激光器干涉仪系统， 已经达到纳米分辨率1 2 0 1 ，h p l 0 8 8 9 b 分辨率为1 2 r i m ：美国国家标准技术局( n i s t ) 研制的分子测量机，采用光学倍频和电子细分相结合的激光外差干涉仪方案，测量 分辨率达到1 0 n m i “j 。 一2 一 西北工业大学博士学位论文 图1 1 一l 是利用声光调制器的外差式激光干涉仪方案，已经用于微型机器人 驱动器位移测量反馈系统。实验结果表明它的测量分辨率可以达到0 1 3 2 n m ，测量 范围1 0 m m ，系统钡4 量频率响应带宽为1 0 0 k h z ，应用在机器人驱动系统位移反馈时 的测量精度接近1 0 r i m 。 外差干涉系统中存在的问题是，由于光学器件的非理想特性等原因，激光器输 出的双频激光在测量光路中存在模间耦合现象1 2 2 1 ，即线偏振光椭圆化现象：从角隅 棱镜返回光偏振态的改变，使干涉仪中的检偏器不能完全消除另一偏振光，光电检 测器同时接受到参考光路和测量光路中的耦合干涉信号。为了克服模间耦合引起的 误差，在大尺寸测量中采用了数字实时修正的方法1 2 3 1 。 图1 1 1 外差干涉仪实例图1 1 2 双光源超外差干涉仪原理 超外差干涉仪方案是解决模间耦合的一种方案吲，其测量原理如图1 1 2 所 示，利用两个外差干涉的再次外差形成光电拍频信号，作为双频光源形成外差干涉 仪系统。采用两次外差的方法实现对合成波长相位的实时检测，避免了外差干涉中 双纵模信号的分别检测，有效克服了模耦合误差。外差干涉两种频率的光波可以通 过声光调制器获得，也可以由双波长激光器、旋转光栅、电光调制等频移器件获得。 实际测量过程中，双频光源频差稳定性决定了测量精度的提高。 为了克服激光器的稳定性问题，提出可调谐双光源超外差干涉仪设想。如图1 - 1 3 所示，主从激光器3 4 l 、s l 产生超外差干涉仪的光源，频率分别为，：和 。两 个激光器分光镜各分出部分激光形成拍频信号，以拍频信号作为控制信号驱动压电 陶瓷驱动器( p z t ) ，实现对从激光器乩的控制，使之输出相对主激光器m l 频率 稳定的激光。采用n d ：y a g 激光器可以使调谐范围达到0 2 2 5 g ，相应合成 波长为1 艮o 2 m ；两个a o m 的驱动频率差为1 0 0 k - z ，其频差稳定性由a o m 的 稳定性决定。d l 接收参考信号，d 2 接收测量信号，由于在接收信号中包含分光镜 b s 以前光路中存在的所有误差，两信号相减即可消除误差对测量结果的影响，实 验结果证实，其测量不确定度为0 0 5 um 。 将外差干涉仪应用于纳米精度测量的另外一个问题是如何提高系统对外界的 一3 一 西北工业大学博士学位论文 抗干扰能力，消除光路中f l a t w _ 气流动、温度漂移等引起介质折射率的随机变化。在 良好外界试验环境条件下，外差式激光干涉仪可以得到o 1 n m 的分辨率，如美国 h p 公司的h p l 0 8 8 9 b 可以达到1 2 r i m 的分辨率，但在实际应用长时间测试情况下， 其分辨率和精度均下降。 m l s l 一卉竹g t d 麓l t 光器，h w p 一1 2 波片q w p - 1 , t 渡片 p b s 一偏振分光镜b s 一分光镜，p d - - 光电检测嚣a o m 声光调制器 图1 1 3 调谐双频激光超外差干涉仪系统 为了消除外界干扰对测量结果的影响，发展起来共光路外差干涉仪思想。其思 想是在设计的整个光路中，测量光路和干涉光路平行经历相同的外界环境，两者感 受的环境变化相同；在测量信号处理中，两者相减进行消除环境因素引起的外界误 差。基于共光路思想研制的自补偿外差干涉仪结构阱】，在超精密加工机床反馈控制 测量系统中的试验结果表明，在1 2 小时周期内，系统静态误差漂移减少了6 0 。 综上所述，激光外差干涉仪的发展趋势是采用超外差方法以消除模间耦合误 差、采用共光路思想以提高抗外界干扰能力，采用光纤技术以简化光路。在未来十 年内，对激光外差干涉仪的发展需求是口5 i ：( 1 ) 测量速度提高到2 2 r n s ，目前商 业干涉仪测量速度最大为0 5 r n s ；( 2 ) 位移分辨率达到0 1 3 r i m ，对应相位测量 分辨率为o7 。，比现有商业系统分辨率提高个数量级；( 3 ) 多通道测量系统，测 量通道扩大到l 啦1 5 个，各通道之间采集数据延迟时间小于0 2 n s ，以减少维间耦 合误差的影响，目前所有商业干涉仪测量维数不多于3 个。使实用化干涉仪达到以 上技术指标在理论上还具有很大的挑战性。 我国3 0 4 所利用声光调制器和稳频h e - n e 激光器获取频差小于2 0 0 k h z 的正交 偏振双频激光束，x 和y 向偏振干涉仪采用差分结构，已经探索研制出纳米级二维 激光外差偏振干涉仪系统口7 1 ，测量范围5 0 i xm ，分辨率0 5 n m ，在量程内测量不确 定度为2 n m 。清华大学研制成功的共光路抗外界环境干扰的激光外差干涉仪，其纵 向和横向分辨率分别为0 3 9 r i m 和0 7 3 r i m 。 一4 西北工业大学博士学位论文 1 2 纳米计量学及其发展 根据美国国家标准技术研究所( n i s t ) 的定义：纳米计量学是测量纳米级或更 小物体尺寸或确定性的科学。纳米校准技术是为具有纳米精细度的仪器装置和实物 标准提供校准技术，并在量值上为这些仪器设备以纳米级不确定度水平溯源米定义 提供技术手段。纳米计量学是纳米技术的重要基础。 以扫描探针显微镜( s p m ) 为代表的各种纳米测量装置，尽管具有纳米量级的分 辨率，但需要建立纳米级甚至更高精度的溯源基准。目前能够实现纳米级测量及量 值溯源的方法有：电感电容测微仪、计量型扫描探针显微镜、x 射线干涉仪、外差 式激光干涉仪、f e b r a - p e r o t 干涉仪等。 电容传感器应用极板间距与电容量之间的变化关系、电感传感器利用铁芯在线 圈中的位移引起电感量变化的关系实现纳米级位移测量。从理论上讲，任何可以转 换为位移的物理量均可以利用电容或电感传感器进行测量。虽然电容电感传感器可 以进行纳米级分辨率测量，但二者均需要采用光干涉方法进行校准，而且超出有限 的测量范围时，会产生很大的非线性误差。目前的研究方向是如何提高测量分辨率 以及传感器的线性测量范围，电容传感器常用交流电桥的方法，电感传感器使用线 性差动的方法以及后续电路中采用电子处理技术提高信号的信噪比。 q u e e n s g a t e 仪器公司通过压电驱动元件和电容位置传感器相结合，设计的纳米 精度定位装置，达到纳米级的位移分辨率和定位精度 2 9 1 ；德国t g o d d e nh e n _ r i c h 等 研制了电容式位移控制微悬臂原子力显微镜d o 。最新的研究结果是利用电容和电感 组成的l c 谐振电路对l 、c 非常敏感的特点，将位移转化为谐振信号的相位变化， 再经过信号解调电路从信号相位变化中得到位移变化。 1 2 1x 射线干涉测量技术 以单晶硅的品格尺寸为基准，利用x 射线衍射效应进行位移测量的设想最初是 由h a r t 等人在1 9 6 8 年提出的。美国n s t 和德国p t b 分别对硅( 2 2 0 ) 晶体的晶格 间距进行了测量，测量结果如下： n i s t ：d = 1 9 2 0 1 5 9 0 2 0 0 1 9 f m p t b ：d = 1 9 2 0 1 5 5 6 0 0 0 1 2 f m 日本n r l m 在o 0 2 恒温下对硅( 2 2 0 ) 晶格间距进行了1 8 天稳定性测试，结 果发现该晶格间距的变化量为o 1 f r a 。以上两个实验结果充分说明单晶硅的晶格间 距具有较好的稳定性。 由于在纳米、亚纳米领域计量的特殊优越性，x 射线干涉计量技术愈来愈显示 出其重要的研究及应用价值，其应用范围包括：1 建立亚纳米量级长度尺寸基准； 一5 西北工业大学博士学位论文 2 实现物理常数的精确测定；3 点阵应变的精确测量和晶体缺陷的观察：4 在医 学方面，利用x 射线干涉仪进行病理切片的o i 分析，其分辨率远高于传统的光电 c t 技术；5 准确测量纳弧度量级的小角度及介质折射率。在长度量值传递方面， x 射线干涉仪的主要应用是对高精度纳米位移传感器及仪器进行标定( 包括s p m 、 电感电容传感器等) 以及纳米尺度上各种物理现象的研究。j i m m i ea m i l l e r 等利用 x 射线干涉仪研究物质表面的隧道效应结构以及隧道效应实验，在测定隧道电流、 评估电路性能方面得到了很好的结果。x 射线干涉仪纳米测量中存在的主要问题以 及相关研究结果如下： 1 】测量范围小。英国n p l 、德国p t b 和意大利i m g c 三个国家标准实验室联 合开展x 射线干涉仪的研制工作。将x 射线干涉仪和激光干涉仪结合起来，研制成 组合式光学x 射线干涉仪( c o m b i n e do 砸c a la n dx - r a yi n t e r f e r o m e t e r , c o x i ) 用于 位移传感器校准。图1 2 一l 是该系统的原理框图，图中的光学部分是典型的平面镜 干涉仪，其条纹移动当量约为四分之一波长，相当于x 射线干涉仪中8 2 4 个干涉条 纹。该系统结合激光干涉仪的优点扩大了x 射线干涉仪的测量范围。实验结果证实， 该系统在1 0 0 倍条纹细分的情况下，在1 0 um 测量范围内达到1 0 p m 的测量精度： 在l m m 范围内达到1 0 0 p m 的测量精度。a n d r e w y a e o o t 和m i c h a e l j d o w n s 将c o x i 用于英国n p l 长度计量中心j a m i n 干涉仪校准【1 5 1 ，j a m i n 干涉仪光路图及x 射线校 准方案如图1 2 2 所示。当采用稳频激光源时，j a m i n 干涉仪具：有：e 2 0 p m 的峰值误 差。从实验结果可以看出，x 射线干涉仪是测量亚纳米数量级位移的有力工具，可 以达到1 0 - 1 1 数量级的测量精度。 图1 2 - - 1x 射线干涉仪与平面干涉仪相结合 图1 2 - - 2j a m i n 干涉仪校准方案 一6 一 西北工业大学博士学位论文 2 】测量环境要求高。在纳米测量技术中，环境温度的不稳定性、仪器本身的 温度差异、振动及外界机械干扰都会对测量结果产生重大影响。x 射线干涉仪测量 技术一般要求恒温在0 0 1 ，真空环境在l o _ 3 p a ，沿晶格方向的振动在1 0 - 1 1 量级： 同时，由于x 射线干涉仪所需要的x 射线管，需要庞大的高压、真空及水冷却系统， 为了满足这些条件，需要庞大的附加设备，严重限制了x 射线干涉测量技术的应用。 英国w a r w i c k 大学微细工程与测试中心d k b o w e n 等采用单晶硅整体式设计 方案。干涉仪和弹性微动机构由同一块硅制造，整体尺寸为4 2 r a m x 3 0 r a m 2 2 m m ， 晶片尺寸为1 0 m i n x5 m m l m m ，晶片间距1 5 m m ，柔性铰链机构内刻2 0m i l l 的长 槽，以永磁铁与螺线管的作用力驱动柔性铰链机构实现1 0 0um 的微位移。这种结 构在一块单晶硅上集成制造了干涉仪和弹性微驱动机构，消除了温度梯度效应，保 证了线性弹性结构的重复性，提高了系统的抗振性。 3 】测量速度低。在x 射线干涉测量中，需要对周期性正弦干涉条纹进行连续 测量，同时需要对干涉条纹进行多次采样以减少随机性噪声的干扰。如采用x 射线 干涉仪对平面镜干涉仪进行校准实验中【】习，x 射线干涉仪移动1 6 6 0 个条纹( 晶体 移动位移3 1 8 7 2 n m ) ，测量时间为3 0 m i n ；晶体移动位移8 1 4 0 8 a m ( 平面镜干涉仪 移动5 个干涉条纹) ，需要3 0 0 m i n 测量时间。这样长的测量时间对抗环境干扰、抑 制温漂等技术提出了无法克服的困难，使该测量方法失去实际应用意义。 要实现x 射线干涉测量，关键是m o i r e 条纹要有良好的对比度，接收信号要有 足够的强度。影响干涉条纹对比度及信号强度的因素很多，清华大学王林、曹芒1 1 o 】 从理论上分析了x 射线干涉仪中晶片尺寸对干涉条纹对比度及信号强度的影响，得 到了x 射线干涉仪实现m o i r e 条纹最大对比度的条件。该理论研究为x 射线干涉测 量系统的研制奠定了基础。 1 2 2 计量型扫描探针显微镜 扫描探针显微镜具有很高的空间分辨率，利用它可以直接观察物质表面的原子 结构、纳米尺度的物质特性以及进行原子分子操作、表面刻蚀等。它的工作原理是 用极尖的探针( 或类似的方法) 对被测表面进行扫描，借助探针和物质表面的某种效 应( 如电流隧道效应等) 进行纳米尺度操作，借助纳米级的三维位移定位控制系统 观测出物质表面的三维微观立体形貌。利用此相似原理发展的测量方法有：扫描隧 道显微镜( s t m ) 、原子显微镜( a r m ) 等。 但是，在微光学、微机械、超精密加工以及分子安装等领域所要求的纳米精度 校准，扫描探针显微镜是无法完成的。针对此问题，德国联邦物理技术研究院( p t b ) 和中国计量院共同研制了世界上第一台计量型原子力显微镜。将基于微型光纤传输 一 西北工业大学博士学位论文 的三维激光干涉测量系统引入原子力显微镜中，实现自校准和尺寸的绝对测量：三 维压电陶瓷驱动器驱动测量工作台在x ，y ，z 轴向运动，在x ，y ，z 三个方向上 分别采用激光干涉系统进行测量。达到的技术指标是：空间任意两点测量不确定度 是5 n m + 2 x 1 0 。4 l ，在z 轴上的测量不确定度为( 1 1 1 2 ) 眦+ 2 1 0 一l 5 l 1 7 1 。 1 2 3 激光干涉纳米精度校准技术 从某种意义上讲，没有测量就没有科研，就没有现代工业的发展。激光的高亮 度、高相干性和高准直性，使得长度单位米以激光波长来定义。由于激光干涉仪是 复现长度的方法，包括x 射线干涉仪，普通扫描探针显微镜在内，均需要溯源到米 定义而采用激光干涉方法进行光波比对校准。世界各国计量单位或组织均开展了激 光干涉纳米精度校准技术研究。 在纳米精度测量机研制中，美国国家标准技术研究所( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r da n d t e c h n o l o g y , n i s t ) 的前身美国国家标准局从1 9 8 6 年就开始研制测量 范围为5 0 r a m x 5 0 m m x 0 1 m m 的分子测量机，其机械结构以及环境措施如图1 2 3 所示。分子测量机采用s t m 检测样品表面，该仪器安装在零膨胀玻璃上以减 少热膨胀的影响，由于测量机驱动及定位稳定性的原因，其系统测量不确定度 为1 0 r i m 。 图1 2 - - 3 分子测量机机械结构及环境措施 日本国家计量研究所( n r l m ) 研制的纳米精度校准系统由稳频塞曼激光和四 光束偏振型迈克尔逊干涉仪组成。该干涉仪已经应用于诸如硅晶格常数、磁通量等 基本常数测量，其扫描微动系统主要采用基于柔性铰链机构的微动工作台o ”。由s 一8 一 西北工业大学博士学位论文 y o s h i d a 主持的纳米精度测试系统课题组主要开展了以下研究1 3 2 1 ，( 1 ) 利用改进的 扫描隧道显微镜进行微观形貌测量，成功应用于石墨表面和生物样品的纳米级精度 测试；( 2 ) 为了减少环境的影响，从克服空气扰动的角度考虑开发研制成双频激光 干涉仪，如图1 _ 2 - - 4 所示。干涉仪中采用了波长为4 8 8 n m 和倍频波长2 4 4 n m 的氩 离子激光器，经过测量光路后，用棱镜将两束光分开，采用两套检测系统分别得到 双波长干涉信号。经过双波长补偿后，对于空气介质的随机扰动造成的误差具有明 显抑制作用，其试验装置系统分辨率达到0 7 6 n m ，具有5 n m 的测量精度。 l 一氪离于倍频撒光器。p b s 一偏振分光锐 h m - - 5 0 反射镜d 一光电检测器。p 一偏振片 图i 2 4 硬频干涉仪系统原理图 英国国家物理研究所( n p l ) 对各种纳米测量仪器与被测对象之间物理量的相 互作用进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器测量范围和理论框架，其研制 的微观形貌纳米精度测量仪器测量范围是0 0 1 n m 3 n m 和0 3 n m - 1 0 0 n m t 3 5 1 。前述 提及的w a r w i c h 大学c h e t w y n d 博士利用x 射线干涉仪对长度标准用的波长进行细 分研究，利用硅晶体分解和重组x 光束分析干涉图像，从干涉仪中提取的干涉条纹 与硅晶格具有相等的间距，达到0 2 n m ，以此建立了校准精密位移传感器的基准 3 6 1 。 德国p t b 开展了一系列称为l n m 级尺寸精度的计划项目，这些研究计划包括， ( 1 ) 提高直线和角位移的计量等级，研制了动态角度测试系统；( 2 ) 研究检测表面 微观形貌和微结构探针之间的相互作用，从而进一步研制微形貌、形状和尺寸测量 系统。己经完成的项目包括亚纳米级的一维位移和形貌的测量系统唧】；完成的零 a b b e 误差纳米精度坐标测量机在三个坐标方向采用干涉仪测长，以最大程度消除 a b b e 误差的影响。 瑞士联邦计量院开始建立三维大范围纳米精度校准系统，如图1 2 5 所示。 系统采用商品型原子力显微镜( a f m ) 进行扫描定位反馈测量，测量工作台采用二 一9 一 西j b 工业大学博士学位论文 维位移导轨和柔性铰链工作台组成二级位移驱动与定位系统，柔性铰链直接由三个 压电陶瓷驱动器控制，并由电容位移传感器调控形成闭环反馈控制。柔性铰链的三 维位移由两套平面镜干涉仪和a f m 分别进行测量，系统测量范围为2 5 r a m 2 5 m m 】m m 口吼。 图1 2 5 大范围纳米精度校准系统( 瑞士联邦计量院) 中国计量科学研究院和清华大学研制的用于大范围纳米精度测量的差拍法一 珀罗微位移测量系统，其测量分辨率为0 3 r i m ，测量范围l - lpm ，总不确定度小 于3 5 n m ，做为高精度位移传感器的量值传递基准，进行纳米级微位移校准。在理 论研究方面，中国计量院的朱若谷、浙江大学的陈本永提出通过测量双法布里一珀 罗干涉仪透射基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米精度测量的理 论基础。 纳米校准技术是纳米技术的基础学科，各工业发达国家都十分重视。以上各国 取得