几何量微纳米级精密测量技术
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在机械工程领域，对长度测量系统不确定度的要求越来越高， 特别是在长度测量系统中对短周期长度测量偏差的不确定度 要求更高（例如，对光栅尺的测量）。
中国计量科学研究院长度所
4
1. 一维微纳米级长度尺寸测量
德国：PTB
Interferometer
Bellow
Beamsplitter
Slide
Bellow
光学工程方面：
光学零件测量；
其他领域：
医学领域的镶牙技术、输液细管；如整形技术、模具制造、汽车自动 加油器、磁盘驱动器的基板部件、半导体器件封装等。
中国计量科学研究院长度所
12
微型坐标测量机的关键技术
主要是框架结构设计和测头设计。
在框架结构设计中主要考虑以下几方面：械 机构的热稳定性、测量中结构变形的影响最 小、最小阿贝误差、好的坐标参考点、足够 的硬度等。
中国计量科学研究院长度所
5
1. 一维微纳米级长度尺寸测量
中国：中国计量科学研究院
测量范围≤3µm， 分辨率优于0.5nm， 测量不确定度 ≤3nm。
F-P 拍频激光干涉仪
中国计量科学研究院长度所
6
2. 二维微纳米级坐标测量
为了解决在集成电路、仪表、机械制造、塑胶等工业测量中广泛应用的 非接触坐标测量机及测量显微镜的校准和溯源，工业发达国家在近十年 来纷纷研制了高精度二维线纹标准器及其标准装置，其测量范围达到 600mm600mm，测量不确定度达到10～300nm。与一维微纳米级长度尺 寸测量相比，其引用的关键技术除了上述的激光测长和瞄准定位外，还 需要考虑进行两维测量的平面参考镜的制造测量和安装调整。平面参考 镜的直线度、平面度和两个平面镜正交性是主要的测量误差来源。
中国计量测试学会几何量专业委员会2006年年会 论文报告
几何量微纳米级精密测量技术 研究的若干新进展
叶孝佑 高思田 2006-09-12
中国计量科学研究院长度所
1
报告提纲
前言 一维微纳米级长度尺寸测量 二维微纳米级坐标测量 微型坐标测量机 纳米尺度计量 结束语
中国计量科学研究院长度所
2
六轴外差激光干涉仪测量系统；微型 3D测头：测针直径0.5mm或1mm， 测头内嵌三个电容传感器，其X、Y、 Z 测量范围为 20µm 。
中国计量科学研究院长度所
9
2. 二维微纳米级坐标测量
韩国计量院（KRISS）
结构与德国PTB的Leica LMS 2020类似，使用激光干涉仪测长， 原子力显微镜（AFM）的测量 头瞄准定位，其单轴位移测量不 确定度为10nm，测量范围为 200mm200mm。
二维微纳米级坐标测量装置
中国计量科学研究院长度所
10
2. 二维微纳米级坐标测量
瑞士METAS研制的掩膜板测量仪
用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到400mm300mm。仪器由具有空 气轴承的XY位移台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移台的位置， 用数字视频显微镜系统瞄准定位，对于短周期的测量重复性<3nm(1σ )。
美国NIST和英国NPL
研制了用于在掩膜板表面结构测量的装置，其测量不确定度≤20nm
前言
20世纪末至21世纪初，精密、超精密制造（加工） 的精度水平向微米和纳米级发展。发达国家的计量
院对基标准的研究是长期和连续不断的，而且投入 很大，如美国的标准与技术研究院（ NIST）、英 国的物理研究所（NPL）和德国的物理技术研究院 （PTB）。在亚洲，日本的NIMJ、韩国的KRISS 近几年在微纳米测量技术研究方面发展也非常迅速，
8
2. 二维微纳米级坐标测量
瑞士METAS研制的掩膜板测量仪 用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到
400mm300mm。仪器由具有空气轴承的XY位移 台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移 台的位置，用数字视频显微镜系统瞄准定位， 对于短周期的测量重复性<3nm(1σ )。
中国计量科学研究院长度所
Microscope Bridge
Measurement
Slide
Scale
Granite
Vibration Isolation
一维纳米比长仪
德国：PTB
Linear Drives
测量范围：610 mm。
测量不确定度：线纹尺：Uaim ≤ 5 nm，光学掩膜板长度： Uaim ≤5 nm，线性光栅编码器：Uaim ≤3 nm，激光干涉仪：Uaim ≤2 nm。指标：
步入了世界先进水平行列。在我国，中国计量科学
研究院一直坚持不断地研究，近年来取得的一些科
研成果也达到了世界先进水平。
中国计量科学研究院长度所
3
1. 一维微纳米级长度尺寸测量
在集成电路工业领域，由于在一片光学掩膜板上集成的电路 越来越多，需要研究其几何特性，因此必须提升长度测量系 统的不确定度，目前，对7＂掩膜板的结构距离测量的重复 性达到了3 nm，溯源到长度单位的不确定度水平达到的电路 制造水平约30nm。
中国计量科学研究院长度所
7
2. 二维微纳米级坐标测量
德国PTB:
二维微纳米级坐标测量 装置
测量范围 : 280 mm 280 mm
测量不确定度: <35nm（3σ）
扫描电镜头定位的二维
测量系统
测量范围 : 300 mm 300 mm
测量不确定度: 5nm
中国计量科学研究院长度所
中国计量科学研究院正在启动研制的激光两坐标测量装置
此处安装瞄准定位 系统
大理石平台
固定桥
测量范围 :
350mm×350mm
被测件
激光束
中国计量科学研究院长度所
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3. 微型坐标测量机
主要用于测量超精密、极小零部件
涉及的应用范围有：
精密机械方面：
微电机、精密轴承、导向系统、手表、微型机电系统（MEMS）；
在测头设计中主要考虑以下几方面：小半径、 小探针、高硬度、低测力、低运动质量、高 稳定性、高分辨力和低噪声等。
中国计量科学研究院长度所
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国家计量院中的 微型坐标测量机
Leabharlann Baidu 英国NPL
高精度微型CMM
测量范围：50 mm 50 mm 50 mm； 测量不确定度：50~100 nm；采用Leitz CMM 的运动控制和CNC编程和数据分 析系统；计量型框架结构。
中国计量科学研究院长度所
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1. 一维微纳米级长度尺寸测量
德国：PTB
Interferometer
Bellow
Beamsplitter
Slide
Bellow
光学工程方面：
光学零件测量；
其他领域：
医学领域的镶牙技术、输液细管；如整形技术、模具制造、汽车自动 加油器、磁盘驱动器的基板部件、半导体器件封装等。
中国计量科学研究院长度所
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微型坐标测量机的关键技术
主要是框架结构设计和测头设计。
在框架结构设计中主要考虑以下几方面：械 机构的热稳定性、测量中结构变形的影响最 小、最小阿贝误差、好的坐标参考点、足够 的硬度等。
中国计量科学研究院长度所
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1. 一维微纳米级长度尺寸测量
中国：中国计量科学研究院
测量范围≤3µm， 分辨率优于0.5nm， 测量不确定度 ≤3nm。
F-P 拍频激光干涉仪
中国计量科学研究院长度所
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2. 二维微纳米级坐标测量
为了解决在集成电路、仪表、机械制造、塑胶等工业测量中广泛应用的 非接触坐标测量机及测量显微镜的校准和溯源，工业发达国家在近十年 来纷纷研制了高精度二维线纹标准器及其标准装置，其测量范围达到 600mm600mm，测量不确定度达到10～300nm。与一维微纳米级长度尺 寸测量相比，其引用的关键技术除了上述的激光测长和瞄准定位外，还 需要考虑进行两维测量的平面参考镜的制造测量和安装调整。平面参考 镜的直线度、平面度和两个平面镜正交性是主要的测量误差来源。
中国计量测试学会几何量专业委员会2006年年会 论文报告
几何量微纳米级精密测量技术 研究的若干新进展
叶孝佑 高思田 2006-09-12
中国计量科学研究院长度所
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报告提纲
前言 一维微纳米级长度尺寸测量 二维微纳米级坐标测量 微型坐标测量机 纳米尺度计量 结束语
中国计量科学研究院长度所
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六轴外差激光干涉仪测量系统；微型 3D测头：测针直径0.5mm或1mm， 测头内嵌三个电容传感器，其X、Y、 Z 测量范围为 20µm 。
中国计量科学研究院长度所
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2. 二维微纳米级坐标测量
韩国计量院（KRISS）
结构与德国PTB的Leica LMS 2020类似，使用激光干涉仪测长， 原子力显微镜（AFM）的测量 头瞄准定位，其单轴位移测量不 确定度为10nm，测量范围为 200mm200mm。
二维微纳米级坐标测量装置
中国计量科学研究院长度所
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2. 二维微纳米级坐标测量
瑞士METAS研制的掩膜板测量仪
用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到400mm300mm。仪器由具有空 气轴承的XY位移台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移台的位置， 用数字视频显微镜系统瞄准定位，对于短周期的测量重复性<3nm(1σ )。
美国NIST和英国NPL
研制了用于在掩膜板表面结构测量的装置，其测量不确定度≤20nm
前言
20世纪末至21世纪初，精密、超精密制造（加工） 的精度水平向微米和纳米级发展。发达国家的计量
院对基标准的研究是长期和连续不断的，而且投入 很大，如美国的标准与技术研究院（ NIST）、英 国的物理研究所（NPL）和德国的物理技术研究院 （PTB）。在亚洲，日本的NIMJ、韩国的KRISS 近几年在微纳米测量技术研究方面发展也非常迅速，
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2. 二维微纳米级坐标测量
瑞士METAS研制的掩膜板测量仪 用于校准掩膜板表面的结构，测量范围达到
400mm300mm。仪器由具有空气轴承的XY位移 台组成，两轴的平面反射镜干涉仪测量位移 台的位置，用数字视频显微镜系统瞄准定位， 对于短周期的测量重复性<3nm(1σ )。
中国计量科学研究院长度所
Microscope Bridge
Measurement
Slide
Scale
Granite
Vibration Isolation
一维纳米比长仪
德国：PTB
Linear Drives
测量范围：610 mm。
测量不确定度：线纹尺：Uaim ≤ 5 nm，光学掩膜板长度： Uaim ≤5 nm，线性光栅编码器：Uaim ≤3 nm，激光干涉仪：Uaim ≤2 nm。指标：
步入了世界先进水平行列。在我国，中国计量科学
研究院一直坚持不断地研究，近年来取得的一些科
研成果也达到了世界先进水平。
中国计量科学研究院长度所
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1. 一维微纳米级长度尺寸测量
在集成电路工业领域，由于在一片光学掩膜板上集成的电路 越来越多，需要研究其几何特性，因此必须提升长度测量系 统的不确定度，目前，对7＂掩膜板的结构距离测量的重复 性达到了3 nm，溯源到长度单位的不确定度水平达到的电路 制造水平约30nm。
中国计量科学研究院长度所
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2. 二维微纳米级坐标测量
德国PTB:
二维微纳米级坐标测量 装置
测量范围 : 280 mm 280 mm
测量不确定度: <35nm（3σ）
扫描电镜头定位的二维
测量系统
测量范围 : 300 mm 300 mm
测量不确定度: 5nm
中国计量科学研究院长度所
中国计量科学研究院正在启动研制的激光两坐标测量装置
此处安装瞄准定位 系统
大理石平台
固定桥
测量范围 :
350mm×350mm
被测件
激光束
中国计量科学研究院长度所
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3. 微型坐标测量机
主要用于测量超精密、极小零部件
涉及的应用范围有：
精密机械方面：
微电机、精密轴承、导向系统、手表、微型机电系统（MEMS）；
在测头设计中主要考虑以下几方面：小半径、 小探针、高硬度、低测力、低运动质量、高 稳定性、高分辨力和低噪声等。
中国计量科学研究院长度所
13
国家计量院中的 微型坐标测量机
Leabharlann Baidu 英国NPL
高精度微型CMM
测量范围：50 mm 50 mm 50 mm； 测量不确定度：50~100 nm；采用Leitz CMM 的运动控制和CNC编程和数据分 析系统；计量型框架结构。