微纳米测量技术课程设计
大范围微纳米精度绝对距离测量技术研究
『 巨 。 ｆ （ ） ＝ Ｅ ｏ （ ） ｅ ｘ ｐ ｛ ｉ ［ ｋ （ Ａ ） Ｌ ＋ △ ］ ｝ １ （ ） ＝ Ｅ ｏ （ ） ｅ ｘ ｐ ｛ ｉ ［ ｋ （ Ａ ） （ Ｌ ＋ Ａ Ｌ ） ＋ △ ］ ）
，
式 中 ，Ｅ ｏ （ 表 示 宽光 谱光源 出射 光波 光谱 分布 函 数 ；板 为 出射光 波 的波 矢分 布 函数 ；Ｌ 表示 干涉 仪 中
本征 光 波 的传输 光程 ； ＋ 表 示干 涉仪 中信 号 光波 的传 输光 程 ，则本 征 光与 信 号光干 涉 叠加后 的光强 表达 式 可表 示为
干涉 仪 。
图 １ 全 光 纤 频 域 干涉 仪 结构 示 意 图
从 宽光 谱光源 发 出的光 波经光 纤环 形器后 进入 传输 光纤 ， 传 输光 纤 的另一 头与 一光 纤探头 连接 ， 在 目前 的原 理性 实验 中 ，光纤 探头 为－ －｝ ［ ｇ ． Ｆ Ｃ ／ Ｐ Ｃ陶瓷计 算机插 针度 的插 针端 面反 射光 作为频 率干涉 的本征光 ； 而 从插针端 面透 射 的光则 照射在 端镜 表面 上 ， 被 端镜 表
、 ■ — ＿ — — － 一 ＿ ，
面 反射 的光有 一 部分被 陶 瓷插 针接 收 ，并 按 原路返 回 ，作 为频 域干 涉 的信 号 光 。本 征光与 信 号光通 过光 纤环 形 器后进 入 光纤 光谱 仪 中 ， 通过 光 纤光谱 仪 记录频 域干 涉条 纹 ， 或 采用 时 问分辨 光谱 仪记 录频 域干 涉 条纹 随 时间 的变化 历史 就可 测量 光纤 探头 与端 镜 的绝对 距离 或绝对 距 离 随时 问的变化 历 史 。 以下 简要
测量技术课程设计
测量技术课程设计一、教学目标本课程的教学目标是让学生掌握测量技术的基本原理和实用方法，培养学生的实际操作能力和创新思维。
具体目标如下：1.知识目标：学生能够理解测量技术的基本概念、原理和方法，掌握常见的测量工具和仪器使用，了解测量技术在工程和科研中的应用。
2.技能目标：学生能够独立进行测量操作，熟练使用测量工具和仪器，掌握数据处理和分析的方法，提高解决实际问题的能力。
3.情感态度价值观目标：学生能够认识测量技术在现代化建设中的重要性，培养对测量技术的兴趣和热情，树立科学精神和创新意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括测量技术的基本原理、实用方法和案例分析。
具体安排如下：1.第一章：测量技术概述，介绍测量技术的定义、分类和作用，让学生了解测量技术在工程和科研中的应用。
2.第二章：测量误差与数据处理，讲解测量误差的概念、来源和减小方法，引导学生掌握数据处理和分析的基本方法。
3.第三章：常用测量工具和仪器，介绍尺、卷尺、水平仪、经纬仪等常见测量工具和仪器的基本原理和使用方法。
4.第四章：测量方法与应用，讲解平面测量、高程测量、角度测量等基本测量方法，并通过案例分析让学生了解测量技术在实际工程中的应用。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：教师通过讲解测量技术的基本原理和实用方法，引导学生掌握相关知识。
2.讨论法：教师学生针对测量案例进行讨论，培养学生的思考能力和团队协作精神。
3.案例分析法：教师通过分析实际工程中的测量案例，让学生了解测量技术在工程中的应用。
4.实验法：教师指导学生进行实际操作，熟练使用测量工具和仪器，提高学生的动手能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将选择和准备以下教学资源：1.教材：《测量技术基础》等权威教材，为学生提供系统、科学的理论知识。
2.参考书：推荐《测量工程师手册》等参考书籍，帮助学生拓展知识面。
三维微调测量课程设计
三维微调测量课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解三维微调测量的基本概念，掌握相关的术语和原理。
2. 学生能够掌握三维微调测量的工具和设备的使用方法，如电子尺、激光测距仪等。
3. 学生能够运用三维微调测量方法，对物体进行准确的尺寸测量和位置调整。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，独立进行三维微调测量的操作，并解决实际测量中遇到的问题。
2. 学生能够运用数据分析方法，对测量结果进行整理、计算和误差分析，提高测量的准确性。
3. 学生能够运用团队合作和沟通技巧，与他人共同完成三维微调测量任务。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对科学测量工作的兴趣和热情，认识到测量在工程技术和生产生活中的重要性。
2. 学生树立严谨、细致的科学态度，注重实际操作中的安全意识和规范意识。
3. 学生通过团队合作，培养互相尊重、协作共赢的价值观，增强团队意识和集体荣誉感。
课程性质：本课程为实践性较强的学科课程，结合理论知识与实际操作，注重培养学生的动手能力和实际问题解决能力。
学生特点：考虑到学生所在年级的特点，课程设计将注重启发式教学，引导学生主动探索，培养其创新意识和实践能力。
教学要求：教师应关注学生的个体差异，提供个性化的指导，确保学生在课程中能够达到预定的学习成果。
同时，注重过程评价，及时反馈学生的学习情况，调整教学策略。
二、教学内容本课程依据课程目标，结合教材内容，组织以下教学大纲：1. 三维微调测量基本概念：- 测量的定义与分类- 三维微调测量的应用领域- 三维微调测量中的基本术语及原理2. 三维微调测量工具与设备：- 电子尺的使用方法- 激光测距仪的原理与操作- 三坐标测量机的功能与构造3. 三维微调测量方法：- 直线测量与曲线测量- 单点测量与多点测量- 测量数据的处理与分析4. 实践操作与案例分析：- 实际操作中三维微调测量步骤- 测量误差分析及处理方法- 案例分享：三维微调测量在工程中的应用5. 团队合作与沟通技巧：- 测量团队的组织与分工- 沟通技巧在测量过程中的应用- 团队合作中的问题解决策略教学内容按照教材章节进行安排，注重理论与实践相结合。
微纳米2
2 莫尔条纹法
莫尔条纹特性
方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与 光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一 个间距一方向对应 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提 高灵敏度 可调性：夹角θ↓→ 条纹间距B↑ → 灵活 准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个 别/局部误差 → 提高精度
光源 (Source) 指能够发射光波的物体。
可见光频率范围：7.5×1014 - 3.9×1014 Hz。 真空中对应的波长范围：390nm - 760nm。 相应光色：紫、蓝、青、绿、黄、橙、红。
2.1.1 显微镜的发展
1.3 光学显微镜的光学原理
分辨率 (Resolution)
2.1.1 显微镜的发展
2.1.1 显微镜的发展
1.3 光学显微镜的光学原理
工作距离 (WD, Working Distance)
工作距离也叫物距，指物镜前透镜的表面到被检物体之间的距离。 在物镜数值孔径NA一定的情况下，工作距离越短，则孔径角越大。 数值孔径大的高倍物镜，其工作距离小。
2.1.1 显微镜的发展
1.4 光学显微镜的结构
4 白光干涉测量技术
白光干涉测量扫描技术
两种扫描方式
扫描参考镜 扫描样品
4 白光干涉测量技术
显微白光干涉测量光路原理图
4 白光干涉测量技术
显微白光干涉测量系统
4 白光干涉测量技术
白光干涉相移算法
三步相移算法
M ( I1 I 2 ) 2 ( I 3 I 2 ) 2 2I0
1 zp N 8 4
2 莫尔条纹法
测量技术课程设计
测量技术 课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解测量技术的基本概念，掌握长度、面积、体积等基本物理量的测量方法。
2. 学生能了解各种测量工具和仪器的使用方法，如直尺、卷尺、电子秤等，并掌握其操作技巧。
3. 学生能掌握误差的概念，区分系统误差和偶然误差，并了解减小误差的方法。
技能目标：1. 学生能运用所学测量方法，正确使用测量工具和仪器进行实际操作，完成给定测量任务。
2. 学生能分析测量数据，处理误差，提高测量结果的准确性。
3. 学生能通过小组合作，进行测量实践，培养团队协作和沟通能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能认识到测量技术在日常生活和科技发展中的重要性，激发学习兴趣。
2. 学生在学习过程中，培养严谨、细致、精益求精的科学态度。
3. 学生通过测量实践活动，增强实践操作能力，提高解决问题的自信心。
课程性质：本课程为实用技术类课程，注重理论与实践相结合，培养学生的动手能力和实际应用能力。
学生特点：六年级学生具备一定的物理知识和动手能力，好奇心强，善于观察和思考。
教学要求：教师应关注学生的个体差异，引导他们积极参与实践活动，鼓励他们提出问题、解决问题。
在教学过程中，注重培养学生的科学素养和创新能力。
通过本课程的学习，使学生能够将测量技术应用于日常生活和未来学习。
二、教学内容本章节教学内容围绕测量技术，结合课程目标，安排以下内容：1. 测量技术基本概念：长度、面积、体积测量方法，以及相关物理量的认识。
- 教材章节：第一章 测量技术基础2. 测量工具和仪器：直尺、卷尺、电子秤等的使用方法和操作技巧。
- 教材章节：第二章 测量工具与仪器3. 误差分析：系统误差、偶然误差的产生原因及减小方法。
- 教材章节：第三章 误差分析与处理4. 实践操作：分组进行实际测量任务，如测量教室长度、宽度、面积等。
- 教材章节：第四章 测量实践5. 数据处理：分析测量数据，进行误差处理，提高测量结果的准确性。
- 教材章节：第五章 数据处理与分析6. 测量技术在生活中的应用：介绍测量技术在各个领域的应用，激发学生学习兴趣。
几何量微纳米级精密测量技术
微形状测量系统 NANOCORD
特殊型测头
中国计量科学研究院长度所
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商品化的微型坐标测量机
ISARA，IBS精密工程公司
测量范围：100 mm 100 mm 40 mm；X、 Y向的测量不确定度为15 nm，Z向的测量不 确定度为25 nm。它采用测头固定、工作台 运动的测量方式；3D的阿贝误差采用平面
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4.纳米尺度计量
韩国KRISS在纳米尺度计量方面的研究
将具有计量型原子力显微镜（AFM）的激光干涉仪与X射线干涉仪相结合 以提高测量分辨力，使用具有两个激光波长（λ=488 nm、325 nm）的激 光衍射装置测量光栅间距；
可进行微粒尺寸测量； 采用光学显微镜、激光散射测量装置和透射电镜，粒径测量范围为：
式。接触测头在一个薄膜硅芯片上集成有压阻 元件，测量力500µN、测针针尖120µm、有单 点和扫描方式两种方式。视觉测头有13倍的放 大率，15mm 的工作距离，探测容差0.4µm。
F25精密CMM
中国计量科学研究院长度所
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4.纳米尺度计量
目前众多的国家计量院，如美国的NIST、德国的PTB、英国的NPL、瑞士的 METAS、韩国的KRISS、加拿大的ARC、日本的NMIJ、中国的NIM、新加坡的 SPRING等，都在持续不断地研究并开展如下领域的工作：1）表面特征的测量服 务：以触针扫描（纳米表面轮廓）和扫描探针显微镜（SPM）为基础的线宽和台 阶高度的测量；2）校准SPM：用测量标准器（衍射光栅）、激光干涉仪或纳米 级的位移传感器校准测量位置；3）校准纳米位移传感器，如压电传感器 （PZT）、电容传感器和电感传感器等；4）掩膜板计量；5）研发计量标准器。
微纳测试(4)
扫描隧道显微镜测量法 原子力显微镜测量法
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2. 纳米尺度的几何量测量与纳米测量学
纳米科技是一门交叉学科，它不仅包含以 观测、分析和研究为主线的基础学科，同 时，还包括以纳米加工学为主线的工程技 术科学 包括纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、 纳米材料学、纳米电子学、纳米加工学、 纳米测量学、纳米摩擦学等分支学科
一类是从传统的几何量检测技术发展和改进而来
如光切法、白光干涉法、光栅投影法、普通探针法和 光针式三维轮廓仪
一类是根据被测件的材料和结构特点专门设计的
如基于计算机视觉的硅片厚度测量仪器、MEMS器件 实时蚀刻深度检测仪
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台阶仪是针对MEMS的三维结构、用于获 得平面扫描以外的第三维信息即台阶高度 （深度）的测量仪器
台阶测量分为接触式和非接触式两种方式
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接触式台阶测量垂直分辨率很高，可达 0.1nm，测量范围可达±160um，而且适于 透明、不透明的各种材料表面的测量。
根据使用传感器不同，可分为电感式、压 电式和光电式三种。
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高精度非接触台阶测量方法主要有
扫描电子显微镜测量法
水平分辨率：2nm 水平分辨率：0.2nm 垂直分辨率：10nm 垂直分辨率：0.005nm
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1.2扫描电子显微镜测量方法
特点：
可以通过电子学方法有效控制和改善图像质量
可实现多种功能的测试分析。与X射线谱仪配 接，可在观察形貌的同时进行微区成分分析 可使用加热、冷却和拉伸等对样品进行动态试 验，观察在不同环境条件下的相变及形态变化
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1.3 台阶仪测量方法
三维几何量测试的方法可以概括为两类
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高质量的光学系统和清晰的像质 是获得精确测量结果的保障。 照明方式一般分为透射照明和反 射照明两种
基于微力测量的微纳米测头系统设计及优化
基于微力测量的微纳米测头系统设计及优化杨洪涛;蔡春梅;张炜;张晶【摘要】The present developed micro - nano probe can not measure force magnitude and direction in real time so that the measurement error caused by the different direction measurement force and the deformation of different length measuring rod can not be corrected in real time. In order to solve this problem, a new self - correction micro - nano probe system was developed based on six - dimensional micro - force measuring principle. It can measure the real time magnitude and direction of the measurement force and the deformation, calculate out the measurement error caused by the measuring rod stress and deformation, and correct the measurement error in real time by building the error correction model. In order to reach the mN level probe measurement sensitivity, the structural optimization design was done by using ANSYS software and orthogonal test method. The geometry of probe and the optimal measurement area in elastic body were determined, which provided the theoretical basis for the following probe processing. The analysis result proves that the probe measurement sensitivity can reach 25. 5 με/mN in x and y direction, and can reach 11.7 με/mN in z direction.%针对国内外研制的微纳米测头测量时无法实时测量测力的大小和方向,无法实时修正不同方向和大小的测力、不同长度测杆受力变形等引起的测量误差的缺点,研制了一种基于六维微力测量原理的自修正微纳米测头系统,可以实时测量测力的大小和方向,进而获得测头位移和变形量的大小和方向,计算出由于测球测杆受力变形引起的测量误差,通过误差修正模型进行实时自修正,提高测头的测量精度.为了实现测头级的测量灵敏度,应用ANSYS软件和正交试验方法进行结构优化设计,确定测头的基本几何尺寸和测头弹性体上测量不同方向测力的最佳测量区域,为后续的测头加工提供理论基础.最终的分析结果证明了测头x和y方向的测量灵敏度可以达到25.5 με,z方向的测量灵敏度可以达到11.7 με.【期刊名称】《安徽理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(032)002【总页数】5页(P13-17)【关键词】微纳米测头;自修正;有限元;优化设计;测量灵敏度【作者】杨洪涛;蔡春梅;张炜;张晶【作者单位】安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TH721应用于纳米三坐标测量机的微纳米测量探头的研究是国内外许多著名研究机构的研究热点之一。
纳米测量技术及应用的发展现状ppt课件
光栅技术用于纳米测量的主要特点是光栅位移的脉冲当量 为光栅常数的一半, 它不随入射光波长和强度的变化而变化。 具有高质量正弦信号, 信噪比高, 抗干扰能力强, 光路短等优 点。因此, 对于长时间测量, 在测量范围较大, 温度、 湿度、
压力不断变化的条件下仍能保持良好的准确度与稳定性。
干涉仪原理图
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
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图 5 光栅
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
纳米测量技术的研究方向
纳米测量技术经过二十多年的研究已经取得突破 性进展。随着科技的飞速发展,人类对微观领域的 研究与认识愈加深刻, 对纳米测量学提出了更迫切 的要求。纳米测量技术面对的每一个挑战和难点 都是纳米测量技术今后应重点突破的研究方向。
界振动、 电磁干扰的影响等。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
总结
纳米测量技术伴随纳米科技全面进入二十
一世纪, 不仅为科学发展带来了机遇, 也促进 了经济和高技术的飞速发展。我们相信, 纳 米测量方法的研究将不断推陈出新, 促进纳 米技术的更快发展。
X射线干涉仪
测量纳米的主要优势是它可以直接作为长度标尺, 并校准其 它纳米测量系统。英国、 德国、 日本、 美国等国家都对 X
射线干涉仪进行了研制。由于在纳米、 亚纳米测量领域的特 殊优越性, X射线干涉仪越来越表现出重要的应用价值。
纳米测量技术
光子扫描隧道显微镜
工作原理:光学中的受抑全反射理论
光子在疏密介质组成的界面上发生全反射时，其 波动将会渗透到光疏介质中并沿界面传播。其强度沿 界面法线方向指数衰减。
若用一只极细的光导纤维与该表面贴近到小于光
波波长的距离，光子会通过隧道效应而被耦合到光 纤中而被检测到。由于被检测表面所产生的衰减磁 场与该表面相似，如果使光纤上下移动而获得相同 强度的信号，则光纤的高度位置就反映了表面形态。
纳米测量技术的任务
纳米测量技术的研究大致分为两个方面： 1.应用与研制先进的测试仪器，解决物理和微 细加工中的纳米测量问题，分析各种测试技术， 提出改进的措施或新的方法； 2.从计量学的角度出发分析各种测试方法的特 点，如：使用范围、精度等级、频率响应等。
纳米测量技术的时代背景
随着科技不断进步，测量技术与工业生产技术相 互促进、相互提高。可以说纳米测量正是顺应微 电子工业集成电路制作、机械工业和国防工业超 精密加工的需要而发展起来的。
信号送入计算机。应用程序再根据一定的算法便
可以计算出空气薄膜厚度。
其他几种光学纳米测量方法
除了前述的纳米测量方法以外，还有激光偏振 干涉仪、光栅干涉仪、调频干涉仪、合成波长纳米 测量等方法。
利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反射率, 进而根据薄膜厚度与入射光波长和相应的光强 反射率之间的函数关系建立方程组。通过对方 程组求解,计算出薄膜的厚度。多波长干涉测量 法能够避免移相干涉法中移相器所带来的误差, 并且可根据不同波长的光波测出的结果相互校 正,提高了测量精度。
测试系统原理图
如上图 所示, 由白光源发出的光束经分束片1反 射后垂直入射到石英玻璃片, 在石英玻璃片下 表面分成2 束,其中一束穿过空气薄膜,从被测表
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微纳米测量技术课程设计
一、背景
近年来，微纳米技术的不断发展，使得微纳米尺度下的测量技术得到了极大的发展和广泛的应用。
因此，开展微纳米测量技术课程设计是非常必要的，可以帮助学生了解微纳米尺度下的测量方法，掌握测量技术的实际应用。
二、课程设计目标
本课程设计旨在帮助学生：
1.了解微纳米测量技术的基本原理和技术；
2.掌握微纳米测量技术的实验方法和操作技能；
3.学习微纳米测量技术在各个领域中的应用。
三、课程设计内容
1. 微纳米测量技术概述
介绍微纳米测量技术的基本概念、特点、发展历程和应用领域，让学生了解微纳米尺度下的测量方法和技术。
2. 原子力显微镜测量实验
原子力显微镜是一种常用的微纳米尺度下的测量仪器，通过原子力操纵实现了对材料表面的高分辨率观测和形貌分析。
设置原子力显微镜实验，让学生学习如何使用原子力显微镜进行测量和分析。
3. STM/AFM测量实验
扫描隧道显微镜和原子力显微镜是常用的STM/AFM测量仪器，可以实现对材料
表面的原子级探测和成像测量。
设置STM/AFM实验，让学生学习如何使用STM/AFM
进行测量和分析。
4. 光学显微镜测量实验
光学显微镜是常用的微米尺度下的测量仪器，可以实现对材料表面的高分辨率
观测和形貌分析。
设置光学显微镜实验，让学生学习如何使用光学显微镜进行测量和分析。
5. 粒度分析测量实验
粒度分析是粉体和颗粒材料的常用分析方法，可以用于样品粒径的分布和表面
积的计算。
设置粒度分析实验，让学生学习如何使用粒度分析仪进行测量和分析。
6. 微纳米机械特性测试实验
微纳米机械特性测试是微纳米尺度下的材料性质研究的重要手段之一，可以用
于测量材料的硬度、弹性模量和断裂强度等机械性能。
设置微纳米机械特性测试实验，让学生学习如何使用微纳米机械测试仪器进行测量和分析。
四、课程设计方法
本课程设计采用“理论讲解+实验操作”的教学方式，课程设置理论课和实验课。
其中，理论课主要介绍微纳米测量技术的基本原理和技术，实验课则围绕常用的微纳米测量仪器，设置相关的实验，让学生亲身体验微纳米测量技术的实际应用。
五、课程设计评价
本课程设计评价主要采用分组报告+实验操作的方式进行。
每个小组需要在实
验操作中积极配合，完成实验任务。
实验结束后，每个小组需要撰写实验报告并进
行现场汇报，展示实验成果和研究结果。
教师根据每个小组的实验报告和汇报情况，进行课程设计的评价和总结。
六、课程设计总结
本课程设计旨在帮助学生深入了解微纳米测量技术的基本原理和技术，掌握微
纳米测量技术的实验方法和操作技能，学习微纳米测量技术在各个领域中的应用。
通过课程的学习和实践，学生不仅可以提高自身的科学素养和创新能力，也可以为我国微纳米技术的发展做出贡献。