纳米精度测量技术和空间数字化测量技术(部分)

0,1 nm
Atoms 0.1 - 0.4 nm
DNA 2 nm wide
‘Nano-’ Patents
In early 2005, ~31000 patents claimed to involve nanotechnology. Rough distribution: USA 30% China 13% Germany 7% Japan 4% France 3% Source: anon via EPSRC S. Korea 3% U.K. 1.5%
1mm
Grain of sand 1 mm
0,1mm=100µ m
Ni micromachined gear 100 µm
Microtechnology
Biological cell 10 µm
0,01mm=10µ m
1µ m 0,1µ m=100nm
Smallest IC feature 0.18 µm
重视与大力发展测控技术 已成为大趋势
● 测控技术与仪器是国家科技水平和生活水平 的重要标志。世界各发达国家均将测控技术 列为重要发展领域。（日本列为21世纪首 位，欧共体15项专项之一，美国更大力度支 持。） ● 测试技术是多学科交叉与融合，研究领域广 泛。
研究热点前沿技术主要有
1. 微纳米测量及微系统（MEMS & NEMS） 2. 空间数字化测量技术 3. 远距离遥测技术 4. 光纤分布式网络测试技术与智能结构系统 5. 全球定位系统（GPS）应用 6. 非常规与恶劣环境下的测量 7. 环境对测试的影响与控制 8. 现代精度理论及实用方法 9. 生物传感技术与仿生测量 10. 生物医学无创伤检测和OCT
1m
Bird 10 cm high Hand 10 cm long Elephant 2 m high
微小机械 MEMS NEMS
Mesotechnology
0,1m=10cm
0.1m-0.1mm 0.1mm-0.1um 100nm-0.1nm
0,01m=1cm
Diameter human hair 100 µm IC Chip 1 cm wide
用原子力显微镜在Si（111）表面上提取单个Si原子
在Cu（111）表面上ห้องสมุดไป่ตู้动 C 60 分子
线值纳米测量仪
标普纳米量块快速检测仪
美国NIST分子测量机
荷兰Eindhoven大学高精度3D-CMM
采用三点对称式机台设计，符合阿贝原理的位置测量系统
working volume : 100*100*100 mm 线性步进压电马达+光栅尺 MEMS Probe Diameter: 0.3mm Uncertainty: 50nm
Dust particle 1 - 5 µm
Nanotechnology
0,01µ m=10nm
6.5 nm
adapted from Volker Saile, Karlsruhe, Germany
Quantum electronic structure 20 nm
1 nm
Atomic lettering using scanning tunneling microscop
Source: anon via EPSRC
Av. Citations: 2004 2000 Switzerland 15 10 Netherlands 13 9 USA 13 9 Belgium 11 8 Denmark 11 6

U.K.

10 4
7 2
China
Uk-China Nanometology, Huddersfield 2005
现代仪器科学的前沿技术
纳米精度测量技术 &空间数字化测量技术
现代科技的特点
● 改变21世纪的三大科技 信息科技/生命科技/材料科技 ● 信息技术成为推动科学技术和经济高 速发展的关键技术 ● 信息技术包括测量技术，计算机技术 和通讯技术，测量技术是源头、关键 基础。
测控科学的地位和作用
● 伟大科学家门捷列夫曾断言，科学是从 测量开始 的，没有测量就没有科学。 ● 测控技术及仪器是认识与改造物质世界的永恒重 要基础和手段。 ● 人类的生存发展依赖于测控，“农轻重、海陆空、 吃穿用”，测控技术无所不存、无处不有。 ● 科学技术重大发现与创新离不开测试与仪器。许多 重要的发现都是通过测量而得到的。 ● 现代战争中，先进的测控系统已成为精确打击武 器装备的重要组成部分。
激光跟踪干涉仪在车间的应用
精度理论及应用
（1）动态精度理论：误差源分析、建模 （2）误差分离与修正技术 （3）测量不确定度原理及应用
悬臂式坐标测量机误差分离与修正
分离与修正结果
a）y0 定位误差修正前后比较
b）y192 定位误差修正前后比较
c））y384 定位误差修正前后比较
d））y511 定位误差修正前后比较
Uk-China Nanometology, Huddersfield 2005
‘Nano-’ Papers
1000 Papers: 2004 2000 USA 23 10 China 12 3 Japan 10 4 Germany 8 4 France 5 3 U.K. 4 2 Russia 4 2
三坐标测量机动态误差分离与修正
误差显示窗口 靶镜 Z向主轴
Y方向
X方向
三坐标测量机 双频激光干涉仪 参考干涉镜 测量机测量系统X向动态误差测装置图
专用夹具
测量机测量系统Y向动态误差测量装置图
激光示值
z
光栅示值
误差示值
y
误差曲线
x
空间测量位置
Thank you!
德国PTB的Special CMM
采用传统的高精度CMM机台，新开发接触式的光纤 感应及非接触式CCD感应的双探头系统
测量范围为25×40×25mm Probe Diameter: 25 um Uncertainty: 100nm
合肥工业大学承担的国际重大合作项目 纳米三坐标测量机方案
测量范围：25mm×25mm×10mm 测量不确定度：10nm
纳米测量关键技术
• 纳米定位技术：惯性、摩擦力、驱动等
• 纳米瞄准技术 • 环境控制技术 • 误差分离与修正技术
共平面二维工作台
平面光栅二维测量系统原理
空间数字化测量系统
（1）视觉测量系统
（2）机器人坐标测量系统 （3）经纬仪坐标测量系统 （4）便携式关节测量机 （5）激光跟踪干涉测量 （6）光学数码柔性坐标测量机
通常认为微尺寸包含微米和纳米量级尺寸，对微纳米测量 则有： 微米测量：>0.1um 微纳米测量: <100nm 深纳米测量：<10nm
（2）纳米测量仪：
扫描探针显微镜（SPM）—
原子力显微镜（AFM）、 扫描隧道显微（STM）、
扫描力显微镜（SFM）等
线值纳米测量仪 — 纳米坐标测量机 —
尺度发展
几个前沿热点技术
1. 纳米精度测量技术
2. 空间数字化测量技术 3. 现代精度理论及应用
纳米精度测量技术
（1）微纳技术发展
自70年代开始，首先由美国学者提出微机械设想，直到 1989年开始形成世界性的MEMS技术，它把信息获取、处理和执 行集成为一体，由此进入了微尺寸的新领域。 MEMS被认为是21世纪广泛应用的新兴技术，各国大量投入， 进展瞩目，每年以10％－20％的速率增长。
汽车车身多视觉测量站
基于机器人坐标测量原理
测头
实际机器人坐标测量系统
机器人本体
经纬仪坐标测量系统原理
p
O1X1Y1Z
1
测量装置实物
1

1

O2X2Y2 2 Z 2
2
便携式关节测量机
关节式测量机测量汽车车身外壳 (1)
关节式测量机测量汽车车身外壳（2）
单站激光跟踪干涉仪
激光跟踪干涉仪精度标定