纳米测量技术指尺度为0.01 nm～100 nm的测量技术。在纳米技术中，纳米测量技术、纳米加工技术和纳米结构并列为纳米技术的三大研究主题。纳米测量技术的研究是纳米技术研究的重要组成部分。

　　微型智能仪器将在21世纪仪器发展中占有重要的地位，各种微型智能仪器都将发挥重要的作用。微型智能仪器可把不同的微型机械电子系统（MEMS）组装在一起。它既有固定部件，又有活动部件，并向微芯片的集成化方向发展；既可以是专用仪器，又可以是通用仪器；可以是分系统的组合，也可是单独的系统。可进行模块化的组合，根据不同的用途完成不同的使用要求。微型智能仪器有着极其广阔的应用前景，是MEMS技术发展的重要方向之一。

　　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 　　无论何种纳米测量技术都必须依靠传感器。目前进行纳米测量的传感器主要分为电感传感器、电容传感器、光干涉传感器三类。 　　在高精度测量中，电感传感器应用最广。一般电感传感器有线性差动变压器（LVDT）和线性差动电感器（LVDI），两种形式，它们都是当铁磁线圈的位置变化引起磁场的变化，通过测量磁场变化达到测量位移的目的。 　　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。

　　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。接触式探针和被测表面存在0.7 ？？N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0.5 nm；LVDT的分辨率很高，可对10 pm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 　　在纳米领域中，令人感到振奋的是扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）的出现。1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室开发出世界上第一台STM，使人类能够直接观察到纳米世界。以后，各种新型扫描探针显微镜，如AFM、激光力显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、静电力显微镜（EFM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）等不断被开发出来，大大扩展了被观察的材料范围和应用场所。 　　以STM/AFM为基础发展的显微镜，可统称为扫描探针显微镜（SPM）。它们大都能观测到纳米尺度，以它们为基础，进行适当的改造，可进行纳米测量。SPM应用于纳米测量时，提供了一个直径非常小的非接触式探针，从而极大地提高了测量分辨率。

　　1．4　纳米测量用SPM必须解决的问题

　　（1）必须能满足相应科学仪器的技术要求　作为测量仪器，必须尽量符合测量仪器的所有准则，如阿贝原理等。 　　（2）所测得的量值必须能溯源到计量基准　作为测量仪器进行纳米测量，本质就是纳米被测尺度和纳米级测量基准的比对，因此，测量值必须能够与现有的测量基准进行传递。 　　（3）提高SPM测量精度　测量用SPM由扫描器、微探针、测量控制系统及隔振系统组成。扫描器由压电陶瓷组成；微探针的几何形状通常是金字塔式（pyramidshaped）和圆柱式（coneshapedtip）；测量和控制系统用光学、电容或电感方法来测量针尖的微小位移；隔振系统一般有悬挂弹簧式、弹簧阻尼式等：它们均是影响测量精度的重要指标。有以下几个研究内容： 　　a.减小压电陶瓷误差　SPM的扫描器由压电陶瓷制成，减小压电陶瓷误差对测量数据的影响的方法是，采用电荷控制压电陶瓷和单向扫描去除迟滞误差，软件补偿减小非线性和蠕变误差。 　　b.减小扫描器的结构误差　扫描器结构误差导致了交叉误差，如一维压电陶瓷，在x方向加电压时，引起了y、z方向的位移，从而导致误差。通过对所测数据进行二次曲线拟合或整体曲面拟合去除交叉误差。 　　c.减小测量系统的结构误差　从测量学的基本原理可知，在高精度测量时，测量系统的结构应尽可能符合阿贝测量原理。 　　d.兼顾探针和样品之间的相互作用关系　SPM探针的尖端几何形状与采集的数椐密切相关。测量针尖的曲率半径越小，测量结果越接近真实形貌。为了提高测量精度，必须对微探针的几何形状进行精确的控制和测量。使用时，兼顾样品表面的精细程度，选取合适曲率半径和纵横比的探针。

　　1．5　其它纳米测量技术 　　其它的纳米测量技术还很多，如激光纳米测量技术就有纳米零差检测法、纳米外差检测法、纳米混频检测法等。下面简介几种纳米测量技术。 　　（1）光学近场扫描技术　目前光学显微技术的分辨率受到衍射规律的影响而被限制在500 nm的扫描范围内。为了消除衍射现象，将光学扫描定位于目标表面以内50 nm处。这种情况下仪器就处于光学的“近场”。可用锥形波束导向器探测被研究表面的辐射量子。光学近场扫描技术的横向分辨率可达10 nm，可用来研究纳米微区的光学性质。 　　（2）纳米光探针扫描外差干涉仪原理　激光器发出的激光束经分光镜被分为两束：一束光经声光调制器后，其频率为f+f 1 ，该光束经一定的光路进入光电探测器；另一束经过声光调制器，其频率为f+f 2 ，该光束经反射镜后被物镜会聚照射到被测表面上，反射后也进入光电探测器，以上两束激光在至少有f 1 -f 2 的频率度的探测器上合成即发生外差干涉。通过干涉信号获得表面的信息。 　　（3）X射线干涉仪原理　早期的实验证明，X射线波长的数量级约为0.1 nm，晶体中的原子间距也是这个数量级，于是Laue在1912年建议用晶体作为衍射光栅。让X射线通过硫酸铜晶体，在它后面的感光胶片上就能得到中间黑点和外围对称分布的一些明点图样，叫Laue图。与可见光栅相似，中心明点与可见光的衍射一样是零级最大值，而外围明点则是由于原子的外层电子在X射线的作用下，二次发射的散射光所叠加的效果。 　　X射线干涉仪原理与光栅类似，不过是光线变为波长更短的X射线，接收信号是干涉条纹而已。

　　1．6　展望

　　纳米测量技术受到世界各国的普遍重视，发达国家纷纷制定纳米测量技术的发展战略。作为纳米分辨率的测量传感器早已出现，扫描电子显微镜（SEM）在30年代就已发明。但人类在研究纳观世界时，更重视对三维状态的定量研究。笔者认为，目前能够真正进行三维形貌纳米测量的只有各种基于STM/AFM的SPM技术，大多数SPM可达纳米分辨率的水平，对它们改造可获得各种计量型SPM。 　　当SPM作为纳米测量仪器时，两个问题值得更多的研究：其一是把微探针作为一种非接触式测量时，如何提高测量精度和扩大测量范围；另一问题是通过纳米加工技术加工出可以直接溯源到现有基准的纳米样板。只有这样，纳米技术才能适用于更多的场所，真正成为人们进行纳米技术研究的有力工具。