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智能仪器是将 技术与 简述纳米测量技术与微型智能仪器

2017年08月31日 来源:智能仪器是将 技术与 大字体小字体

  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:

  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。

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  SPM(StatisticalParametricMapping)是由UCL(University CollegeLondon)的WellcomeTrustCentre中心的成员及其合作者开发的应用于神经影像的软件。StatisticalParametricMapping是用来验证功能影像数据假说的一种能创建和评估的空间的统计方法。这些想法可被软件实现,这个软件就是SPM.SPM软件包用来分析脑的影像数据序列。这个序列可以是来自同一目标,不同队列或时间的一系列图像。目前版本可用来分析fMRI(FunctionalMagneticResonanceImaging,功能磁共振成像),PET(PositronEmissionTomography,正电子发射断层扫描),SPECT,EEG(electroencephalo-graph,脑电图)和MEG(magnetoencephalogram,脑磁图)。

  (3)提高SPM测量精度

  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。

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  c.减小测量系统的结构误差

  智能仪器经过近几年的发展,无论是技术还是种类都有了新的发展和壮大。未来智能仪器将更加微型化、多功能化、人工智能化、网络化、虚拟化等方向发展,满足不同领域的应用需求,推动各行各业的发展。

  (1)必须能满足相应科学仪器的技术要求

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  d.兼顾探针和样品之间的相互作用关系

  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。

  (2)所测得的量值必须能溯源到计量基准

  例如,配置I/O(RIO)技术正在被用来改善印度电网的效率。在印度,NexGen有限公司使用LabVIEW和CompactRIO来实现变电站的有先进功率测量功能(AMR)的自动化抄表。它也同时监测11千伏输电线路的输入功率和440伏特的输出功率来描述变电站变压器的效率。此外,该系统监测变压器的油位和温度,并且通过蜂窝网络和中央监控以及数据采集系统来通信。NexGen公司正在部署这样一个基于NI单板式RIO硬件的系统于2,820个贯穿于整个印度拉贾斯坦邦的子变电站。安装分布式智能传感器是充分体现电网的效率唯一的办法。NexGen公司自动化抄表系统将提高印度的电能配置并且帮助减少配电系统估计百分之三十的功率损耗。

  AFM全称AtomicForceMicroscope,即原子力显微镜,它是继扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器,可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测,或者直接进行纳米操纵;现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中,成为纳米科学研究的基本工具。

  1.1传感器技术

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  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。

  1.3STM/AFM及相关技术

  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。

  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。

  a.减小压电陶瓷误差

  接触式探针技术最为典型的是轮廓仪(如Taylorsurf系列),一般最大行程为150mm,探针最小直径为0.1μm左右。采用电容或电感传感器检测探针纵向位移,可以得到0.5nm纵向分辨率。横向分辨率受探针尖直径的限制,难以达到纳米级。接触式探针仪器存在两方面的问题:其一是探针和被测表面的相互作用问题;其二是传感系统的潜力问题。接触式探针和被测表面存在0.7μN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0.5nm;LVDT的分辨率很高,可对10pm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。

  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。

  微型智能仪器的本质就是多传感器的集成、传感器与信息处理单元的集成、信息处理和控制信号输出。信息处理单元对应于宏观的CPU。由于微电子技术的发展,目前器件的线宽可达0.18μm,微电子的集成度更高,因此可把微型传感器、信息处理单元、输出电路集成为智能仪器。

  1.4纳米测量用SPM必须解决的问题

  1.2探针技术

  1.纳米测量技术

          智能仪器的出现,极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势,迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。       1、智能仪器的工作原理          传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号,经滤波去除干扰后送人多路模拟开关;由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器,放大后的信号经A/D转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中;单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等);运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印;同时单片机把运算结果与存储在片内FlashROM或EPROM内的设定参数进行运算比较后,根据运算结果和控制要求,输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。此外,智能仪器还可以与PC机组成分布

  技术上的问题不仅是如何制造,同样重要的还有标准化问题。目前传感器的种类非常多,原理各异,采用同样的处理电路和信息处理单元是不可能的。而对不同量程、不同原理的传感器又不可能每一种研制一套信息处理单元电路,因此必须有一个制造标准,在不同功能、不同加工方法的微构件集成在一起时,使众多的问题有相应的指导规范。这就意味着必须建立微型智能仪器的各种标准。只有遵循这些标准,微型智能仪器才能走向蓬勃的发展道路。

      [慧聪机械工业网]1.智能仪器的工作原理

  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。

  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。

  STM:scanningtunnelingmicroscope即扫描隧道显微镜。隧道扫描显微技术是在1981年有宾尼和罗拉尔发明的,这种设备具有高灵敏度,并且可获得0.01nm的纵向分辨率。这种设备不但可以应用于超高真空里(UHV-STM),而且可应用于大气环境里(大气STM技术)和液体状态下(电解质STM技术)。

  光学位移传感器测量的基本原理都是迈克尔逊干涉仪。干涉条纹的宽度为0.5λ,约0.2μm。通过细分达到纳米分辨率。

  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。

  在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。由此可见,传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。

  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。

  微型智能仪器指微电子技术、微机械技术、信息技术等综合应用于仪器的生产中,从而使仪器成为体积小、功能齐全的智能仪器。它能够完成信号的采集、线性化处理、数字信号处理,控制信号的输出、放大、与其他仪器的接口、与人的交互等功能。微型智能仪器随着微电子机械技术的不断发展,其技术不断成熟,价格不断降低,因此其应用领域也将不断扩大。它不但具有传统仪器的功能,而且能在自动化技术、航天、军事、生物技术、医疗领域起到独特的作用。例如,目前要同时测量一个病人的几个不同的参量,并进行某些参量的控制,通常病人的体内要插进几个管子,这增加了病人感染的机会,微型智能仪器能同时测量多参数,而且体积小,可植入人体,使得这些问题得到解决。

  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。

  b.减小扫描器的结构误差

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