第一篇：電子測(cè)量技術(shù)課程論文-數(shù)字化資源與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

《電子測(cè)量技術(shù)》課程論文

論文題目：電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷程

班級(jí)：電子信息工程專業(yè)2008級(jí)本科班 學(xué)號(hào)：2 0 0 8 5 0 4 2 0 6 6 姓名：陳 晨

電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷程

陳晨

（物理電子工程學(xué)院 河南 信陽(yáng) 464000）

摘要：介紹了電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷史，發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)在的社會(huì)情況及測(cè)量?jī)x器在實(shí)際中的應(yīng)用指出了其發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)當(dāng)前新型的電子測(cè)量?jī)x器描述和評(píng)價(jià)，說(shuō)明了電子測(cè)量技術(shù)吧在生活及科研上的重要性。所以說(shuō)電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展將會(huì)提高我們社會(huì)的生產(chǎn)力和科技實(shí)力，同時(shí)也將會(huì)對(duì)人們生活水平的提高起到不可估量的作用。

關(guān)鍵詞：電子測(cè)量?jī)x器，歷史，現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì) 1 引言

近年來(lái)，以信息技術(shù)為代表的新技術(shù)促進(jìn)了電子行業(yè)的飛速增長(zhǎng)，也極大地推動(dòng)了測(cè)試測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的快速發(fā)展。鑒于中國(guó)在全球制造鏈和設(shè)計(jì)鏈的重要地位，使得這里成為全球各大儀器廠商逐鹿的大戰(zhàn)場(chǎng)，同時(shí)，也帶動(dòng)了中國(guó)本土測(cè)試測(cè)量?jī)x器研發(fā)與測(cè)試技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展。2 測(cè)量?jī)x器的發(fā)展歷史

電力行業(yè)過(guò)去大量應(yīng)用到的是各種電磁式、電動(dòng)式的指針式儀表，由鐵絲和銅線制成的互感器；運(yùn)用的是純?nèi)斯さ?，單臺(tái)，單功能的電子管。3 電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展現(xiàn)狀

二次世界大戰(zhàn)以來(lái),隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步,特別是電子技術(shù)的發(fā)展,電子測(cè)量技術(shù)成為了一門獨(dú)立的專業(yè),電子儀器也已成為一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)。新中國(guó)成立后,國(guó)家十分重視電子工業(yè),并十分重視電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展。經(jīng)過(guò)50多年的努力,已形成一個(gè)較完整的電子儀器產(chǎn)業(yè)體系,為我國(guó)科技進(jìn)步、科學(xué)教育、經(jīng)濟(jì)建設(shè)及國(guó)防工程等做出了重要貢獻(xiàn)。

近年來(lái)，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)檢測(cè)儀器的檢測(cè)速度、準(zhǔn)確度以及檢測(cè)功能等整個(gè)性能方面提出了更高要求。而這些技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)了電子測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展。同時(shí)也給測(cè)量?jī)x器提供了巨大的市場(chǎng)，大量的新型產(chǎn)品都需要通過(guò)儀器的測(cè)量才能投放市場(chǎng)，所以這就對(duì)儀器的功能及測(cè)量能力有一個(gè)新的要求，以幫助工程技術(shù)人員在生產(chǎn)中適應(yīng)眾多的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和有效的處理各種問(wèn)題【1】。除以上技術(shù)外，現(xiàn)代監(jiān)測(cè)和傳感技術(shù)，顯示技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和系統(tǒng)理論研究，也為檢測(cè)過(guò)程的數(shù)字化、智能化創(chuàng)造了

條件?？傮w來(lái)看，測(cè)量?jī)x器的發(fā)展到目前已經(jīng)經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代是模擬儀器；第二代是數(shù)字式儀器，它是以數(shù)字電路進(jìn)行信息的數(shù)字化處理，然后數(shù)字顯示，這種儀器比模擬儀器的測(cè)量精度要高，響應(yīng)速度快；第三代儀器是智能化儀器，它內(nèi)部含有單片機(jī)，無(wú)論數(shù)字采集和處理都是由單片機(jī)控制。

目前，市場(chǎng)上的測(cè)量?jī)x器大概可分兩種，即通用儀器和專用儀器。通用儀器中，電子全測(cè)儀、電子水準(zhǔn)儀開(kāi)始逐步替代常規(guī)的經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和電磁波測(cè)距儀的使用。新型的計(jì)算機(jī)式全站儀加上大量的應(yīng)用軟件，開(kāi)始變得更加的全能化和智能化。GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收器已逐步作為一種通用的定位儀器在工程領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)得到普遍采用【2】。將GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收器與測(cè)量機(jī)器人或電子全站儀進(jìn)行連接，稱超級(jí)測(cè)量機(jī)器人及超級(jí)全站儀。這種技術(shù)主要作用體現(xiàn)在同時(shí)完美結(jié)合GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)與全站儀靈活的三維極坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不帶有控制網(wǎng)的各種工程測(cè)量。

我國(guó)在儀器方面也作出了巨大貢獻(xiàn)，高純微波合成信號(hào)發(fā)生器、微波噪聲系數(shù)分析儀、便攜式射頻頻譜分析儀、2.5Gb/sSDH/PDH數(shù)字傳輸分析儀、高性能的光通訊設(shè)備，包括光譜分析儀和高性能微型光時(shí)域反射計(jì)，還有高速數(shù)字示波器等，目前都已經(jīng)形成比較完整的產(chǎn)品系列。其中AV1489型高純微波合成信號(hào)發(fā)生器采用全正向設(shè)計(jì)方法，突破了高純度微波頻率合成等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；AV3984型微波噪聲分析儀突破了智能微波噪聲源等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；AV4022型便捷式射頻頻譜分析儀突破了小型化設(shè)計(jì)與制造等關(guān)鍵技術(shù)，還有高性能的AV3600系列的寬帶矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀【3】，DT系列數(shù)字電視碼流實(shí)時(shí)檢測(cè)儀等。都是中國(guó)電子集團(tuán)公司第41研究所研制開(kāi)發(fā)的。

在實(shí)際應(yīng)用中，必須進(jìn)行角度和距離測(cè)量。傳流的測(cè)量方法是角度和距離分別進(jìn)行。近年來(lái)出現(xiàn)了電子側(cè)距儀和電子經(jīng)緯儀，把它們結(jié)合在一起就形成了全站里儀器。結(jié)合的形式有兩種:一種是積木式，如前面介紹的電子經(jīng)緯儀加上測(cè)距儀形成的全站型儀器。另一種是將測(cè)角和側(cè)距功能集成為一個(gè)整體，如TCI、TCIL、TC2000電子速側(cè)議【4】。4 電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,測(cè)量范圍日益擴(kuò)大,測(cè)量任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜,測(cè)量工作量隨之加大,對(duì)測(cè)量精度和速度的要求也越來(lái)越高。在實(shí)際測(cè)量中,不僅要求連續(xù)實(shí)時(shí)顯示,而且要求實(shí)時(shí)處理大量的測(cè)試數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)儀器很難滿足這些要求,這就迫使儀器朝著數(shù)字化、智能化、多功能、小型化、模塊化、虛擬化、標(biāo)準(zhǔn)

化和開(kāi)放型方向發(fā)展,隨著技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,這種演進(jìn)的趨勢(shì)也在明顯加強(qiáng)【5】。因此出現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)或微處理器為核心,將檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)完美地結(jié)合起來(lái)的現(xiàn)代電子測(cè)量?jī)x器(系統(tǒng))。它主要有以下幾種類型:(1)以通用微處理器為核心構(gòu)成的智能化電子儀器。智能儀器又稱為靈巧儀器(Smart Instrument),它是將人工智能的理論、方法和技術(shù)應(yīng)用于儀器,使其具有類似人的智能特性或功能的儀器【6】。它的硬件組成通常包括微處理器與存儲(chǔ)器、鍵盤開(kāi)關(guān)與顯示輸出、測(cè)試功能模塊或測(cè)試信號(hào)源、總線與標(biāo)準(zhǔn)接口等部分。(2)以通用微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)構(gòu)成的個(gè)人儀器系統(tǒng)。個(gè)人儀器(Personal Instrument)系統(tǒng)將若干儀器的測(cè)試功能模塊并聯(lián)接入個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的內(nèi)部總線,借助于測(cè)試軟件,各儀器模塊與計(jì)算機(jī)靈活地結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)、程控操作、數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理,以及多種方式輸出測(cè)試結(jié)果。其硬件由個(gè)人計(jì)算機(jī)、多個(gè)測(cè)試功能模塊及接口、儀用標(biāo)準(zhǔn)接口等組成。

(3)以通用計(jì)算機(jī)為核心,以國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)化的儀器接口總線為基礎(chǔ),由可程控的通用電子儀器構(gòu)成的現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。所謂自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),就是在計(jì)算機(jī)的控制和管理下,很少需要人工參與,由各種測(cè)量?jī)x器對(duì)電量、非電量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理,并以顯示、打印等適當(dāng)?shù)姆绞浇o出測(cè)量隨著用戶對(duì)測(cè)試自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、高效率、高可靠性、界面友善等的不斷追求，電子測(cè)試技術(shù)與通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)互相融合的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，測(cè)量已成為計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分；電子測(cè)量?jī)x器正在向開(kāi)放型的VXI、PXI模塊化方向發(fā)展【7】。機(jī)箱和模塊趨于標(biāo)準(zhǔn)化，每個(gè)模塊有獨(dú)立的測(cè)量功能，用戶可根據(jù)測(cè)試需要即插即用，十分靈活；軟件技術(shù)在電子測(cè)試技術(shù)中所占比重越來(lái)越大，是儀器的重要組成部分；在儀器研制生產(chǎn)過(guò)程中，新器件在儀器中的作用越來(lái)越重要。

隨著國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的需求，電子衡器總的發(fā)展趨勢(shì)是小型化、模塊化、集成化、智能化；其技術(shù)性能趨向是速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性高；其功能趨向是稱重計(jì)量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能；其應(yīng)用性能趨向于綜合性和組合性。電子測(cè)量?jī)x器在我國(guó)科技進(jìn)步、國(guó)民教育、經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及國(guó)防工程等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。論述了國(guó)產(chǎn)電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的過(guò)去與現(xiàn)狀,并在分析發(fā)展過(guò)程中存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上,指出其當(dāng)前發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。最后給出當(dāng)今世界電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展的建議和對(duì)策。

綜上所述，隨著時(shí)代的進(jìn)步科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量學(xué)的發(fā)展將主要表現(xiàn)

在從一維、二維到三維乃至四維，從點(diǎn)及面獲取信息，由靜態(tài)反映動(dòng)態(tài)，從工作后期處理到工作實(shí)時(shí)處理，從人眼觀測(cè)操作到智能自動(dòng)尋標(biāo)觀測(cè)，從大型整體工程到人體局部測(cè)量工程，從空中到地面地下甚至水下，從手動(dòng)測(cè)量到自動(dòng)遙測(cè)，從周期觀測(cè)到持續(xù)測(cè)量。測(cè)量的精確度也從毫米級(jí)到微米乃至納米級(jí)。智能儀器、個(gè)人儀器、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、虛擬儀器和網(wǎng)絡(luò)化儀器的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代電子測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)正向著智能化、自動(dòng)化、小型化、模塊化和開(kāi)放式系統(tǒng)方向發(fā)展 參考文獻(xiàn)

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[5] 電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展趨勢(shì)[J].電子元件與材料, 2004,(10)[6] 李鳳祥.關(guān)于電子測(cè)量?jī)x器存在的問(wèn)題與對(duì)策[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器, 1997,(01)[7] 肖 瓏,張宇紅.電子資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立初探[J].大學(xué)圖書館學(xué)報(bào), 2002,(03)作者簡(jiǎn)介：

陳晨（1990-），女（漢族），河南省信陽(yáng)市人，本科在校生，專業(yè)為電子信息專業(yè)。作者聯(lián)系方式： 手機(jī)：*** 電子郵箱：7340496352@qq.com

第二篇：電子測(cè)量與技術(shù)課程總結(jié)

姓名：________ 學(xué)號(hào)：_______ 班級(jí)：___________ 電子測(cè)量與技術(shù)小論文題目：示波器和信號(hào)發(fā)生器 摘要：

測(cè)量是無(wú)處不在的，日常生活、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、高新技術(shù)和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)都離不開(kāi)測(cè)量，科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步更離不開(kāi)測(cè)量。電子測(cè)量是泛指以電子技術(shù)為基礎(chǔ)手段的一種測(cè)量技術(shù),除了對(duì)各種電量、電信號(hào)以及電路元器件的特性和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量外、它還可以對(duì)各類非電量進(jìn)行測(cè)量。按照測(cè)量的性質(zhì)不同，可以將電子測(cè)量分為時(shí)域測(cè)量、頻域測(cè)量、數(shù)據(jù)域測(cè)量和隨機(jī)量測(cè)量四種類型；按照測(cè)量方法的不同，電子測(cè)量又可以分為直接測(cè)量、間接測(cè)量和組合測(cè)量三類。并且測(cè)量總是在不同的基準(zhǔn)下進(jìn)行。因此，計(jì)量基準(zhǔn)一般分為如下三種；主基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)、工作基準(zhǔn)；2.阻抗測(cè)量包含哪些；電阻、電容、電感阻抗的測(cè)量，電阻阻抗測(cè)量方法：伏；3.誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)；按照誤差的特點(diǎn)和性質(zhì)，誤差可分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤；系統(tǒng)誤差的主要特點(diǎn)是：只要測(cè)量條件不變，誤差即為；隨機(jī)誤差的特點(diǎn)是：不易發(fā)覺(jué)，不好分析，難于修正，；粗差的主要特點(diǎn)是：無(wú)規(guī)律可循，且產(chǎn)生之后應(yīng)舍棄不用。這里著重分析信號(hào)發(fā)生器即信號(hào)源，它負(fù)責(zé)提供電子測(cè)量所需的各種電信號(hào)，是最基本、應(yīng)用最廣泛的電子測(cè)量?jī)x器之一。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。在研制、生產(chǎn)、使用、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都需要有信號(hào)源，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓、電流信號(hào)并加入到被測(cè)器件、設(shè)備上，用其他測(cè)量?jī)x器觀察、測(cè)量被測(cè)者的輸出響應(yīng)，以分析和確定它們的性能參數(shù)等作用。這種提供測(cè)試用電信號(hào)的裝置統(tǒng)稱為信號(hào)發(fā)生器。

關(guān)鍵詞：示波器信號(hào)發(fā)生器技術(shù)指標(biāo)用途

電子測(cè)量分類： 1． 示波器：

工作原理及主要性能參數(shù)：主要就是將隨時(shí)間變化的電信號(hào)顯示在屏幕上的顯示觀測(cè)設(shè)備。能測(cè)量從直流到數(shù)百兆赫茲的高頻信號(hào)。其基本結(jié)構(gòu)由加熱器、陰極、控制柵、第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極、垂直偏轉(zhuǎn)板、水平偏轉(zhuǎn)板組成。由陰極射線管的陰極發(fā)射出的電子束根據(jù)測(cè)量信號(hào)轟擊熒光屏發(fā)光產(chǎn)生相應(yīng)波形。在屏幕上就可以根據(jù)橫軸、縱軸的刻度直接觀察輸入信號(hào)。1）帶寬、2）采樣速率、3）信息數(shù)量、4）內(nèi)存深度等。這些同樣也是決定不同型號(hào)的示波器價(jià)格的主要因素。數(shù)字示波器的性能指標(biāo)主要包括頻帶寬度、最高采樣速率、存儲(chǔ)帶寬、波形刷新率以及讀出速度等幾方面。通用示波器主要由Y系統(tǒng)、X系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)三大部分組成。Y系統(tǒng)是被測(cè)信號(hào)的輸入通道，它對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減，放大并產(chǎn)生內(nèi)觸發(fā)信號(hào)。X信號(hào)系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生和放大掃描鋸齒波信號(hào)，它是由觸發(fā)電路、掃描發(fā)生器和水平放大器組成。主機(jī)系統(tǒng)由示波管、電源、顯示電路、Z軸電路、校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等組成。2.信號(hào)發(fā)生器：

主要性能參數(shù)有：1）有效頻率范圍、2)頻率準(zhǔn)確度、3)頻率穩(wěn)定度、4)頻譜純度等。但是按照不同的測(cè)量頻率，其測(cè)量?jī)x器也是不同的。比如低頻信號(hào)發(fā)生器和高頻信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)合成發(fā)生器以及函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等。

A、首先低頻信號(hào)發(fā)生器的組成：低頻信號(hào)發(fā)生器組成主要包括主振器、緩沖放大器、電平調(diào)節(jié)器、功率放大器、輸出衰減器、阻抗變換器和輸出指示器等部分。并且每個(gè)部分分別對(duì)應(yīng)不同的功能。

1）主振器：主振器是低頻信號(hào)發(fā)生器的核心部分，產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號(hào)，它決定了信號(hào)發(fā)生器的有效頻率范圍和頻率穩(wěn)定度。2）緩沖放大器：緩沖放大器兼有緩沖和電壓放大的作用。

3）功率放大器：功率放大器用來(lái)對(duì)電平調(diào)節(jié)器送來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，使之達(dá)到額定的功率輸出，驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。通常采用電壓跟隨器或BTL電路等。4）輸出衰減器：輸出不同電壓。

5）阻抗變換器：阻抗變換器用于匹配不同阻抗的負(fù)載，以便在負(fù)載上獲得最大 輸出功率。

6）輸出指示：輸出指示用來(lái)指示輸出端輸出電壓的幅度，或?qū)ν獠啃盘?hào)電壓進(jìn) 行測(cè)量，可能是指針式電壓表、數(shù)碼LED或LCD。

B、其次高頻信號(hào)發(fā)生器其主要電路組成有：振蕩器、緩沖級(jí)、調(diào)制級(jí)、輸出級(jí)、內(nèi)調(diào)制振蕩器、頻率調(diào)制器、監(jiān)測(cè)指示電路等。

1）振蕩器：用于產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器的主要工作特性大都由它決定。2）緩沖級(jí)：主要起隔離放大的作用，用來(lái)隔離調(diào)制級(jí)對(duì)主振級(jí)可能產(chǎn)生的不良 影響，以保證主振級(jí)工作穩(wěn)定，并將主振信號(hào)放大到一定的電平。3）調(diào)制級(jí)：主要完成對(duì)主振信號(hào)的調(diào)制。

4）內(nèi)調(diào)制振蕩器： 供給符合調(diào)制級(jí)要求的音頻正弦調(diào)制信號(hào)。5）輸出級(jí)： 主要由放大器、濾波器、輸出微調(diào)、輸出衰減器等組成。6）監(jiān)測(cè)指示電路：監(jiān)測(cè)指示輸出信號(hào)的載波電平和調(diào)制系數(shù)。

C、再次合成信號(hào)發(fā)生器其方式有：1）直接合成法：分為模擬直接合成法和數(shù)字直接合成法。

模擬直接合成法：采用基準(zhǔn)頻率通過(guò)諧波發(fā)生器，產(chǎn)生一系列諧波頻率，然后用混頻、倍頻和分頻進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算，最終得到所需的頻率； 數(shù)字直接合成法：利用ROM和DAC結(jié)合，通過(guò)控制電路，從ROM單元中讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，得到一定頻率的輸出波形。

2)間接合成法則通過(guò)鎖相技術(shù)進(jìn)行頻率的算術(shù)運(yùn)算，最后得到所需的頻率。

D、最后是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器其工作原理以及主要電路組成及功能有：1）利用各種電路通過(guò)函數(shù)變換實(shí)現(xiàn)波形之間的轉(zhuǎn)換，即以某種波形為第一波形，然后利用第一波形導(dǎo)出其他波形。近來(lái)較為流行的方案是先產(chǎn)生三角波，然后產(chǎn)生方波和正弦波等。2）函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)：

(1)輸出波形：通常輸出波形有正弦波、方波、脈沖和三角波等波形，有的還具有鋸齒波、斜波、TTL同步輸出及單次脈沖輸出等。

(2)頻率范圍： 函數(shù)發(fā)生器的整個(gè)工作頻率范圍一般分為若干頻段。

(3)輸出電壓：對(duì)正弦信號(hào)，一般指輸出電壓的峰-峰值，通?？蛇_(dá)10Up-p以上； 對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào), 則包括TTL和CMOS輸出電平。

(4)波形特性：不同波形有不同的表示法。正弦波的特性一般用非線性失真系數(shù)表示，一般要求小于等于3%； 三角波的特性用非線性系數(shù)表示，一般要求小于等于2%；方波的特性參數(shù)是上升時(shí)間，一般要求小于等于100 ns。(5)輸出阻抗等相關(guān)參數(shù)。

3.結(jié)論：

綜上所述：現(xiàn)在的科技發(fā)展歸根結(jié)底離不開(kāi)準(zhǔn)確的測(cè)量?jī)x器以及測(cè)量的技術(shù)。這里所提及的示波器、信號(hào)發(fā)生器只是眾多儀器中的兩種。并且信號(hào)發(fā)生器用途廣泛、種類繁多，它分為通用信號(hào)發(fā)生器和專用信號(hào)發(fā)生器兩大類。專用儀器是為某種特殊專用目的而設(shè)計(jì)制作的，能夠提供特殊的測(cè)量信號(hào)，如調(diào)頻立體聲信號(hào)發(fā)生器、電視信號(hào)發(fā)生器等。通過(guò)了解各種信號(hào)發(fā)生器的分類、工作原理以及它們的技術(shù)指標(biāo)如輸出波形、頻率范圍、輸出電壓、輸出阻抗、波形特性等等。由此能夠在實(shí)際應(yīng)用中、在測(cè)量中根據(jù)不同的環(huán)境及不同的要求下選擇合適的信號(hào)發(fā)生器，提高測(cè)量精度。和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣，信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量領(lǐng)域最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。它們能廣泛運(yùn)用在研制、生產(chǎn)、使用、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件以及整機(jī)設(shè)備中，用以分析了解、確定各種設(shè)備的性能參數(shù)。除此以外，信號(hào)發(fā)生器還可廣泛應(yīng)用在電子研發(fā)、維修、測(cè)量、校準(zhǔn)等領(lǐng)域。因此只要我們用好不同類型的儀器，總是能為我們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中帶來(lái)便捷。但是，既然是測(cè)量總是有誤差。所以，我們應(yīng)該努力減小誤差，盡可能讓我們的測(cè)量結(jié)果更加精確。4.參考文獻(xiàn) [1] 張永瑞·電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)·西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009 [2] 陳光禹·現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)·北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000 [3] 任慶·電子測(cè)量原理·成都：電子科技大學(xué)出版社，1989 [4] 鄧斌·電子測(cè)量?jī)x器·北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008 [5] 萬(wàn)國(guó)慶·電子測(cè)量教程·北京：電子工業(yè)出版社，2006

第三篇：電子測(cè)量技術(shù)課程總結(jié)

電子測(cè)量技術(shù)總結(jié)

班別：信息122

學(xué)號(hào)：1213232222 姓名：馮健

任課老師：康實(shí)

在第一章中我們可以學(xué)習(xí)到：

測(cè)量是無(wú)處不在的，日常生活、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、高新技術(shù)和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)都離不

開(kāi)測(cè)量，科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步更離不開(kāi)測(cè)量。

俄國(guó)科學(xué)家門捷列(л.ц.Менделеев)

在論述測(cè)量的意義時(shí)曾說(shuō)過(guò)：“沒(méi)有測(cè)量，就沒(méi)有科學(xué)”，“測(cè)量是認(rèn)識(shí)自然界的主要工具”。

電子測(cè)量是泛指以電子技術(shù)為基礎(chǔ)手段的一種測(cè)量技術(shù),除了對(duì)各種電量、電信

號(hào)以及電路元器件的特性和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量外、它還可以對(duì)各類非電量進(jìn)行測(cè)量。

按照測(cè)量的性質(zhì)不同，可以將電子測(cè)量分為時(shí)域測(cè)量、頻域測(cè)量、數(shù)據(jù)域測(cè)量和

隨機(jī)量測(cè)量四種類型；按照測(cè)量方法的不同，電子測(cè)量又可以分為直接測(cè)量、間

接測(cè)量和組合測(cè)量三類。

電子測(cè)量要實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程，必須借助一定的測(cè)量設(shè)備。電子測(cè)量?jī)x器種類很多，一般分為專用儀器和通用儀器兩大類。根據(jù)被測(cè)參量的不同特性，通用電子測(cè)量

儀器有可以分為信號(hào)發(fā)生器、電壓測(cè)量以前、示波器、頻率測(cè)量?jī)x器、電子元器

件測(cè)試儀、邏輯分析儀、頻譜分析儀等。高新技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了電子測(cè)量?jī)x器的發(fā)展，目前以軟件技術(shù)為核心的虛擬儀器也得到了廣泛應(yīng)用。

它是測(cè)量學(xué)和電子學(xué)相互結(jié)合的產(chǎn)物。電子測(cè)量除具體運(yùn)用電子科學(xué)的原理、方

法和設(shè)備對(duì)各種電量、電信號(hào)及電路元器件的特性和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量外，還可以通

過(guò)各種敏感器件和傳感裝置對(duì)非電量進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方法往往更加方便、快

捷、準(zhǔn)確，有時(shí)是用用其他測(cè)量方法不可替代的。因此，電子測(cè)量不僅用于電學(xué)

這專業(yè)，也廣泛用于物理學(xué)，化學(xué)，機(jī)械學(xué)，材料學(xué)，生物學(xué)，醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域

及生產(chǎn)、國(guó)防、交通、通信、商業(yè)貿(mào)易、生態(tài)環(huán)境保護(hù)乃至日常生活的各個(gè)方面。

近幾十年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展為電子測(cè)量和測(cè)量?jī)x器增添了

巨大活力。電子計(jì)算機(jī)尤其是尤其是微型計(jì)算機(jī)與電子測(cè)量?jī)x器相結(jié)合，構(gòu)成了

一代嶄新的儀器和測(cè)試系統(tǒng)，即人們通常所說(shuō)的“智能儀器”和“自動(dòng)測(cè)試系

統(tǒng)”，它們能夠?qū)θ舾呻妳?shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，自動(dòng)量程選擇，數(shù)據(jù)記錄和處理，數(shù)據(jù)傳輸，誤差修正，自檢自校，故障診斷及在線測(cè)試等，不僅改變了若干傳統(tǒng)

測(cè)量的概念，更對(duì)整個(gè)電子技術(shù)和其他科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用?，F(xiàn)在，電子測(cè)量技術(shù)（包括測(cè)量理論、測(cè)量方法、測(cè)量?jī)x器裝置等）已成為電子科學(xué)領(lǐng)

域重要且發(fā)展迅速的分支學(xué)科。

在第二章我們討論了測(cè)量誤差和數(shù)據(jù)出來(lái)的基本知識(shí)。

測(cè)量誤差是在所難免的，測(cè)量誤差的表示方法有絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差。絕對(duì)誤差

表明測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)偏離實(shí)際值的情況，是一個(gè)既有大小又有符號(hào)和量綱的量。相

對(duì)誤差能夠確切地反映測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，其只有大小和符號(hào)，不帶量綱?？?/p>

以最大引用相對(duì)誤差確定電子測(cè)量?jī)x表的準(zhǔn)確度等級(jí)。

根據(jù)性質(zhì)和特點(diǎn)不同，可將測(cè)量誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差三類。

系統(tǒng)誤差的主要特點(diǎn)是：只要測(cè)量條件不變，誤差即為確切的數(shù)值，用多次測(cè)量

取平均值的辦法不能改變或消除系差，而當(dāng)條件改變時(shí)，誤差也隨之遵循某種確

定的規(guī)律而變化，具有可重復(fù)性。隨機(jī)誤差的特點(diǎn)是：① 有界性；② 對(duì)稱性；

③ 抵償性。粗差的主要特點(diǎn)是：測(cè)得值明顯地偏離實(shí)際。

用數(shù)字方式表示測(cè)量結(jié)果的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)要求確定有效數(shù)字。不可以隨意改變

測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)。在對(duì)多余數(shù)字刪略的時(shí)候，必須“四舍五入，逢五湊

偶”的舍入規(guī)則。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行近似也應(yīng)該遵循相應(yīng)的規(guī)則。

萬(wàn)用表是電子測(cè)量的最基本最常用的測(cè)量?jī)x表之一，按照工作原理不同，可將其

分為模擬式萬(wàn)用表和數(shù)字式萬(wàn)用表2大類。

第三章我們從直插式和貼片式2方面認(rèn)識(shí)了電子元器件的基本知識(shí)。

標(biāo)稱值和允許誤差是電阻、電容、電感等常用被動(dòng)元件的兩個(gè)參數(shù)。按照導(dǎo)電能

力的不同可以將材料分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體嗯哼絕緣體三大類，半導(dǎo)體材料是制作晶

體管、集成電路、電力電子元器件。光電子元器件的基本材料。常用的電阻、電

容、電感、二極管等電子元器件都有貼片封裝。

第四章我們學(xué)習(xí)了常用信號(hào)發(fā)生器的基本知識(shí)。信號(hào)發(fā)生器可以分為專用信號(hào)發(fā)生器和通用信號(hào)發(fā)生器兩大類，通用信號(hào)發(fā)生器

又可以分為低頻信號(hào)發(fā)生器，高頻信號(hào)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器和任意函數(shù)發(fā)生

器等類型。頻率特性。輸出特性和調(diào)制特性是信號(hào)發(fā)生器的三大特性。

直接式頻率合成技術(shù)頻率轉(zhuǎn)換速度快，能夠產(chǎn)生任意笑的頻率增量，具有較好的近載頻相位噪聲性能。但是輸出端的諧波、噪聲和寄生頻率難以抑制。間接頻率

合成技術(shù)又稱為鎖相式頻率合成技術(shù)，具有頻譜純度高，一遇得到大量離散頻率的優(yōu)點(diǎn)，但是其頻率切換時(shí)間相對(duì)比較長(zhǎng)，相位噪聲也比較大。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)從相位概念出發(fā)直接合成所需波形，其優(yōu)點(diǎn)是頻率分辨率高，相對(duì)帶寬寬，具有任意波形輸出能力和數(shù)字調(diào)制功能，但是輸出信號(hào)雜散抑制差。

典型的鎖相環(huán)系統(tǒng)主要由鑒相器。環(huán)路濾波器和壓控振蕩器三部分組成。典型

鎖相環(huán)一般只能輸出一個(gè)頻率，為了能夠輸出一系列頻率，通常在反饋環(huán)路中插

入頻率運(yùn)算功能，即可改變輸出頻率。有倍頻、分頻和混頻三種頻率運(yùn)算方式。

頻率范圍、頻率分辨率、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度是通用鎖相環(huán)頻率

合成器的主要性能指標(biāo)。

第五章我們學(xué)習(xí)了模擬示波器和數(shù)字示波器的基本知識(shí)。

示波器是一種圖形顯示設(shè)備它能夠?qū)⑷搜劭床坏降碾娦盘?hào)描繪成可見(jiàn)的圖形曲

線。按照對(duì)信號(hào)處理方式的不同，可將示波器分為模擬式和數(shù)字式兩種類型。模

擬示波器又可以分為通用示波器、多束示波器、采樣示波器、記憶示波器和專用

示波器等類型。數(shù)字示波器又可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器、數(shù)字熒光示波器和數(shù)字

采樣示波器三種類型。

示波器的主要性能參數(shù)有帶寬、采樣速率、信息數(shù)量和內(nèi)存深度等。這些也是決

定不同型號(hào)的示波器價(jià)格的主要因素。數(shù)字示波器的性能指標(biāo)主要包括頻帶寬度、最高采樣速率、存儲(chǔ)帶寬、波形刷新率以及讀出速度等幾方面。

通用示波器主要由Y系統(tǒng)、X系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)三大部分組成。Y系統(tǒng)是被測(cè)信號(hào)的輸入通道，它對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行衰減，放大并產(chǎn)生內(nèi)觸發(fā)信號(hào)。X信號(hào)系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生和放大掃描鋸齒波信號(hào)，它是由觸發(fā)電路、掃描發(fā)生器和水平放大器

組成。主機(jī)系統(tǒng)由示波管、電源、顯示電路、Z軸電路、校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等組成。

示波管是示波器中常用的顯示器件，它是由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組

成。

為了在同一個(gè)屏幕上同時(shí)觀察多個(gè)信號(hào)波形或同一信號(hào)波形的不同部分，需要進(jìn)

行多波形顯示。雙蹤示波器是較常用類型，具有交替和斷續(xù)兩種顯示方式。

第六章我們學(xué)習(xí)了交流電壓和電子電壓表的基本知識(shí)。

電壓測(cè)量具有頻率范圍寬、輸入阻抗高、悲慘波形多樣、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

峰值、平均值、有效值以及相應(yīng)的波峰因數(shù)和波形因數(shù)是交流電壓幅度特性的電

壓表征量。

檢波器是實(shí)現(xiàn)AD/DC轉(zhuǎn)換的核心部件。

電平是指兩個(gè)功率或電壓之比的對(duì)數(shù)，單位為貝爾（B）。

數(shù)字式電壓表利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)將被測(cè)電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將測(cè)量結(jié)果以十

進(jìn)制形式顯示出來(lái)。

第七章我們學(xué)習(xí)了頻域測(cè)量的基本知識(shí)。

信號(hào)的頻域測(cè)量和頻譜分析是以電信號(hào)的頻率f作為橫軸來(lái)測(cè)量分析信號(hào)的變

化，即在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀察和測(cè)量的。頻域測(cè)量與分析的對(duì)象和目的各不相

同，通常包括頻率特性測(cè)量、選頻測(cè)量、頻譜分析、調(diào)制度分析和諧波失真度測(cè)

量等。

頻率特性的測(cè)量有靜態(tài)測(cè)量法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法兩種基本方法。點(diǎn)頻測(cè)量法屬于靜態(tài)

測(cè)量法；掃頻測(cè)量法屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量法。掃頻儀基于掃頻原理構(gòu)成，能在示波管熒

光屏上直接觀測(cè)到各種電路頻率特性曲線。它主要由掃頻信號(hào)發(fā)生器、掃描電路。

頻標(biāo)電路以及示波管等部分組成。

頻譜分析以頻譜分布圖的形式來(lái)表示被測(cè)信號(hào)中所包含的頻率成分，可對(duì)電信號(hào)

或電路網(wǎng)絡(luò)的頻率、電平調(diào)制度、調(diào)制失真、頻偏、互調(diào)失真、帶寬、窄帶噪聲、增益、衰減等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。頻譜分析儀還可以分為模擬式、數(shù)字式、和模擬/

數(shù)字混合式三類。根據(jù)信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性，頻譜分析儀還可以分為實(shí)時(shí)頻譜分析

儀和非實(shí)時(shí)頻譜分析儀兩類。

失真度是指原始信號(hào)進(jìn)過(guò)傳輸設(shè)備以后所得的輸出信號(hào)與原始信號(hào)的比值。失真的結(jié)果是使得輸出信號(hào)產(chǎn)生了原始信號(hào)中沒(méi)有的諧波分量。失真度測(cè)量方法可以

分為頻譜分析法和基波抑制法。失真度分析儀也相應(yīng)地分為基波抑制式和頻譜分

析式兩種類型。

第四篇：電子測(cè)量技術(shù)教學(xué)反思

《測(cè)量誤差的基本概念》教學(xué)反思

6月21日，我參加院里舉行的學(xué)校青年教師教學(xué)競(jìng)賽的選拔，教學(xué)內(nèi)容是《測(cè)量誤差的基本概念》。該節(jié)的內(nèi)容選自電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)的第二章的內(nèi)容，這本書主要圍繞時(shí)域、頻域和數(shù)據(jù)域三部分進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)了解它們的測(cè)量原理，分析誤差產(chǎn)生的原因和其規(guī)律，尋求減小或消除測(cè)量誤差的方法，識(shí)別出測(cè)量結(jié)果中存在的各種性質(zhì)的誤差，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)處理的方法，使測(cè)量結(jié)果接近真值。該節(jié)對(duì)學(xué)生的要求：1）掌握測(cè)量誤差的定義和誤差的來(lái)源；2）掌握絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差的定義和幾種表示方法并且能計(jì)算相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差。主要實(shí)施了以下教學(xué)措施，歸納起來(lái)就是五個(gè)注重，一個(gè)反思：

1.注重基礎(chǔ)，知識(shí)深化?；A(chǔ)是起跑線，要想跑好全程，必須做好起跑線的開(kāi)頭工作。先講清楚概念，為后面的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

2.注重學(xué)生差異，力求全面提高。注重了好學(xué)生、中等學(xué)生和基礎(chǔ)較差學(xué)生搭配提問(wèn)，以檢查這節(jié)課的教學(xué)效果。

3.注重引導(dǎo)與歸納。在上新課之前，先回顧上一節(jié)課的內(nèi)容，引出本節(jié)的內(nèi)容，讓學(xué)生知道本節(jié)課要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，并且清楚那些知識(shí)為重點(diǎn)，那些內(nèi)容為難點(diǎn)。學(xué)習(xí)完本節(jié)之后一定要留幾分鐘與學(xué)生一起進(jìn)行總結(jié).4.注重實(shí)踐——理論——實(shí)踐的科學(xué)探究方法。因?yàn)槲覀冞@門課既有理論課也有實(shí)踐課程，我們學(xué)習(xí)理論的目的就是更好的指導(dǎo)實(shí)踐，那么實(shí)踐又反過(guò)來(lái)驗(yàn)證理論知識(shí)，兩者相輔相成，不可分割。

5.注重知識(shí)的結(jié)合，使學(xué)生的知識(shí)趨于系統(tǒng)化。在講課的過(guò)程中會(huì)涉及到前沿技術(shù)問(wèn)題，如：在數(shù)據(jù)出的方法方面，會(huì)跟學(xué)生提到軟測(cè)量方法、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等前沿科學(xué)，使學(xué)生知識(shí)趨于系統(tǒng)性，也給他們留有思考的余地，他們也會(huì)在課下查閱相應(yīng)的資料，進(jìn)一步了解這些問(wèn)題。

反思：站上講臺(tái)的時(shí)間不長(zhǎng)，因此，在上課的節(jié)奏上把握不好，重難點(diǎn)突出不夠，可能是習(xí)慣了多媒體教學(xué)，板書有待加強(qiáng)。院里這樣的教學(xué)選拔活動(dòng)，對(duì)我們年輕教師是一種鞭策，也是一種機(jī)會(huì)，很可惜這次準(zhǔn)備不夠充分，不太清楚教學(xué)比賽與平時(shí)上課的區(qū)別，以后如果有機(jī)會(huì)一定不會(huì)閉門造車，會(huì)多向有經(jīng)驗(yàn)的教師請(qǐng)教，使自己在教學(xué)中能夠不斷的進(jìn)步，早日成為教學(xué)骨干。

第五篇：研究生納米測(cè)量技術(shù)課程論文

納米測(cè)量技術(shù)的研究及掃描隧道顯微鏡技術(shù)

摘 要

納米測(cè)量技術(shù)是納米科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科之一。納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展, 不但給納米測(cè)量技術(shù)提出了挑戰(zhàn), 同時(shí)也給納米測(cè)量技術(shù)提供了全新發(fā)展的機(jī)遇。綜述了國(guó)內(nèi)外納米測(cè)量技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀, 重點(diǎn)討論了納米材料、納米電子學(xué)和納米生物學(xué)等領(lǐng)域所涉及的納米測(cè)量與性能表征的難題和挑戰(zhàn), 論述了納米科技成果給納米測(cè)量技術(shù)帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇,對(duì)納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向做了展望。最后介紹了掃描隧道顯微鏡的發(fā)展歷程以及掃描隧道顯微鏡的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞

納米科學(xué)技術(shù) 納米測(cè)量 納米材料

掃描隧道顯微鏡

1、引 言

納米技術(shù)作為當(dāng)前發(fā)展最迅速、研究最廣泛、投入最多的科學(xué)技術(shù)之一, 被譽(yù)為21 世紀(jì)的科學(xué), 并且和生物工程一起被認(rèn)為是未來(lái)科技的兩大重要前沿納米技術(shù)是包括納米電子、納米材料、納米生物、納米機(jī)械、納米制造、納米測(cè)量、納米物理、納米化學(xué)等諸多科學(xué)技術(shù)在內(nèi)的一組技術(shù)的集合, 其目的是研究、發(fā)展和加工結(jié)構(gòu)尺寸小于100nm 的材料、裝置和系統(tǒng), 以獲得具有所需功能和性能的產(chǎn)品?？萍及l(fā)達(dá)國(guó)家為搶占這一高新技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)、制高點(diǎn), 競(jìng)相將納米技術(shù)列為21 世紀(jì)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)研究的優(yōu)先項(xiàng)目, 投入了大量的人力、物力和財(cái)力納米技術(shù)對(duì)許多工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始具有非常關(guān)鍵的作用。它不僅將為許多技術(shù)難題提供新的解決方案和思路, 而且會(huì)進(jìn)一步提高人們的生活水平, 并有可能在很大程度上改變?nèi)藗兊纳罘绞?。從納米精度上的機(jī)械零件的加工和裝配、電子器件的生產(chǎn)制造、掃描探針顯微鏡(SPM , Scanning Probe Microscope)的發(fā)展、微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS, Micro Electro Mechanical 1 Systems)的制造, 到納米結(jié)構(gòu)材料的加工和生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)的制造等, 納米技術(shù)正在得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。

2、納米測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

鑒于納米測(cè)量技術(shù)的重要地位, 國(guó)外, 特別是美、日、歐等國(guó)家均投入了相當(dāng)大的人力和物力予以重點(diǎn)支持。典型的例子有1982 年發(fā)明的掃描隧道顯微鏡;美國(guó)California 大學(xué)利用光杠桿實(shí)現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級(jí)分辨率的表面圖像；美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)研制的分子測(cè)量機(jī)。日本研制的具有亞納米級(jí)測(cè)量分辨率的激光外差干涉儀。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍是0.01～3nm;Warwick 大學(xué)研制出測(cè)量范圍在10Lm、nm 精度的X 光干涉儀。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)進(jìn)行了一系列稱為1nm 級(jí)尺寸精度的科研項(xiàng)目。

我國(guó)對(duì)納米測(cè)量技術(shù)的研究也相當(dāng)重視, 并取得了一些顯著成績(jī)。清華大學(xué)研制成功亞納米級(jí)分辨率的激光雙波長(zhǎng)干涉儀。中國(guó)科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室成功研制了原子級(jí)分辨率的原子力顯微鏡。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了用于微位移測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的法—珀干涉儀。天津大學(xué)研制了雙法—珀干涉型光纖

微位移傳感器。中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所對(duì)掃描探針顯微術(shù)進(jìn)行了一系列的科學(xué)研究。概括國(guó)內(nèi)外的納米測(cè)量方法, 可以分為兩大類: 一類是非光學(xué)方法: 掃描探針顯微術(shù)、電子顯微術(shù)、電容電感測(cè)微法, 另一類是光學(xué)方法: 激光干涉儀、X 光干涉儀、光學(xué)光柵和光頻率跟蹤等。總結(jié)現(xiàn)有各種納米測(cè)量方法, 它們的單項(xiàng)參數(shù)(分辨率、精度、測(cè)量范圍)可達(dá)到的指標(biāo)分別如表1 所示。

表 1 各種納米測(cè)量方法的比較

3、納米測(cè)量技術(shù)面對(duì)的挑戰(zhàn)

現(xiàn)有各種納米測(cè)量方法和儀器的不斷涌現(xiàn), 為從事納米科學(xué)技術(shù)研究提供了理論依據(jù)和有效手段, 但是納米科學(xué)技術(shù)研究的快速發(fā)展對(duì)納米測(cè)量技術(shù)提出了迫切的要求。作者主要對(duì)納米材料、納米電子學(xué)和納米生物學(xué)等納米科技領(lǐng)域中面對(duì)的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)進(jìn)行論述。

3.1、納米材料的測(cè)量與性能表征

納米材料的測(cè)量與性能表征涉及兩個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容: 一是納米材料的尺度測(cè)量;二是由尺度效應(yīng)而導(dǎo)致的納米材料的性能表征。納米材料尺度的測(cè)量包括:納米粒子的粒徑、形貌、分散狀況以及物相和晶體結(jié)構(gòu)的測(cè)量, 納米線、納米管等直徑、長(zhǎng)度以及端面結(jié)構(gòu)的測(cè)量和納米薄膜厚度、納米尺度的多層膜的單層厚度的測(cè)量等。適合納米材料尺度測(cè)量與性能表征的儀器主要有: 電子顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡、掃描探測(cè)顯微鏡、X 光衍射儀和激光粒徑儀等。

現(xiàn)有納米測(cè)量方法往往測(cè)量大面積或大量的納米材料以表征納米材料的單一尺度和性能, 所得的測(cè)量結(jié)果是整個(gè)樣品的平均值, 因此, 單個(gè)納米顆粒、單根納米管的奇異特性就被掩蓋了。對(duì)現(xiàn)有的納米測(cè)量方法來(lái)說(shuō), 表征單一納米顆粒、納米管、納米纖維的尺度和性能是一個(gè)難題和挑戰(zhàn)。首先, 因?yàn)樗鼈兊某叽缦喈?dāng)小, 單一納米顆粒、納米管的固定和夾持無(wú)法用大尺寸的固定和夾持技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次, 納米結(jié)構(gòu)的小尺寸使得手工操縱相當(dāng)困難, 需要有一種針對(duì)單一納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專門操縱技 術(shù)來(lái)進(jìn)行操作。因此, 為了準(zhǔn)確測(cè)量單一納米結(jié)構(gòu)的尺度和性能, 開(kāi)發(fā)新的納米測(cè)量方法和手段是十分必要的。

另外, 現(xiàn)有納米測(cè)量方法僅局限于對(duì)納米材料外觀或表面尺度的測(cè)量, 而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)納米材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的測(cè)量。例如, 納米改性纖維材料、納米涂料以及納米油漆等由于摻雜納米超細(xì)粉體以提高或改善其性能, 如何測(cè)量與評(píng)價(jià)這些材料內(nèi)部納米粒子的尺度和納米粒子的團(tuán)聚過(guò)程及其性能的改變是納米測(cè)量技術(shù)面臨的又一挑戰(zhàn)。

3.2、納米電子學(xué)涉及的納米測(cè)量與性能表征

納米電子學(xué)是研究電子在納米尺度空間中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律, 并利用這些規(guī)律制作新型電子器件的一門新型學(xué)科。納米電子器件所涉及的測(cè)量與表征技術(shù)可分為:(1)納米電子器件幾何尺寸的測(cè)量, 如量子點(diǎn)、量子線、量子阱或單電子晶體管等幾何尺寸的納米測(cè)量;(2)單量子器件性能表征與測(cè)量技術(shù), 如量子點(diǎn)、量子線等量子器件的量子能級(jí)分布測(cè)量, 單電子晶體管、單原子開(kāi)關(guān)等量子器件的電子輸運(yùn)特性的測(cè)量與性能表征;(3)納米電子器件所用材料的性能檢測(cè)和缺陷測(cè)量與控制技術(shù);(4)集成電路中組件尺寸大范圍納米級(jí)測(cè)量技術(shù)和集成電路制造時(shí)所需的大范圍納米級(jí)掃描微動(dòng)工作臺(tái)技術(shù), 現(xiàn)在集成電路芯片尺寸達(dá)50mm ×50mm、線寬最小至0.13Lm(即130nm), 在50mm ×50mm 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)130nm 線寬的性能檢測(cè)和測(cè)量,好比用1m 的尺子測(cè)量500km ×500km 的范圍, 可見(jiàn)測(cè)量范圍之大, 若線寬小至10nm, 則測(cè)量范圍更大, 確屬納米測(cè)量所面臨的重大挑戰(zhàn)和難題。納米電子學(xué)的另一個(gè)重點(diǎn)研究方向是發(fā)展具有更高信息存儲(chǔ)密度及更快響應(yīng)速度的超高密度信息存儲(chǔ)材料和器件, 現(xiàn)在光存儲(chǔ)信息點(diǎn)尺寸達(dá)到50nm、磁存儲(chǔ)信息點(diǎn)尺寸小于10nm、以及利用掃描隧道顯微鏡寫入的信息點(diǎn)最小尺寸已達(dá)0.6nm[15]。因此, 光存儲(chǔ)和磁存儲(chǔ)同樣涉及在大范圍內(nèi)進(jìn)行信息點(diǎn)特征的納米測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn), 另外, 如何測(cè)量和評(píng)價(jià)光存儲(chǔ)和磁存儲(chǔ)所使用的納米尺度上平整的大面積、高質(zhì)量的存儲(chǔ)薄膜, 亦是擺在納米測(cè)量科學(xué)面前的重要課題。

3.3、納米生物學(xué)涉及的納米測(cè)量與性能表征

納米生物學(xué)的研究對(duì)象是納米尺度的生物大分子、細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)生物過(guò)程。納米生物學(xué)涉及的納米測(cè)量與性能表征技術(shù)可歸結(jié)為以下三個(gè)方面:(1)在 納米尺度上測(cè)量與表征生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能及其相互聯(lián)系;(2)在納米尺度上直接對(duì)生物大分子進(jìn)行操縱和改性;(3)探測(cè)生物大分子在生命過(guò)程中的行為和功能, 在納米尺度上獲得生命信息。蛋白質(zhì)和核酸這兩種生物大分子是千差萬(wàn)別的生命現(xiàn)象中最本質(zhì)而又高度一致的物質(zhì)基礎(chǔ), 因此, 蛋白質(zhì)和核酸分子結(jié)構(gòu)的納米測(cè)量、蛋白質(zhì)和核酸分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系表征, 成為納米生物測(cè)量技術(shù)研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

關(guān)于納米尺度上的生物大分子結(jié)構(gòu)的研究, 以前主要通過(guò)電子顯微鏡觀察和X 光晶體衍射等方法來(lái)實(shí)現(xiàn), 但是它們各有局限之處, 電子顯微鏡要求有一定的真空干燥制樣條件, 而且在觀測(cè)中電子束對(duì)生物樣品有損傷;X 光晶體衍射方法要求樣品能夠結(jié)晶, 獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是大范圍平均值, 而且需經(jīng)模擬和計(jì)算才能得到高分辨的具體圖像。掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和納米光鑷技術(shù)由于具有測(cè)量結(jié)果直觀和納米級(jí)精度等優(yōu)點(diǎn), 現(xiàn)在已成為研究生物大分子表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、研究單個(gè)生物大分子在生命過(guò)程中行為的有效工具。雖然對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)的研究已有越來(lái)越精細(xì)的了解, 然而, 要在生物大分子水平上弄清楚它們?cè)谏^(guò)程中的行為和功能, 這些方法仍有相當(dāng)大的局限性。

納米生物學(xué)對(duì)納米測(cè)量技術(shù)提出的要求和挑戰(zhàn)是:(1)開(kāi)發(fā)適合于對(duì)生物大分子在其自然條件下的測(cè)量方法, 更有利于對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的精確認(rèn)識(shí), 而現(xiàn)在對(duì)生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行研究時(shí), 一般要對(duì)樣品進(jìn)行處理, 如將DNA 分子沉積在石墨或云母表面, 或者溶在一定液體中, 限制了對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)試;(2)納米測(cè)量技術(shù)要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)研究單個(gè)生物大分子生理?xiàng)l件下的結(jié)構(gòu), 開(kāi)展結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的研究,而現(xiàn)在的測(cè)量技術(shù)僅局限于對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)的靜態(tài)研究, 涉及結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的研究甚少;(3)生物大分子運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、動(dòng)力學(xué)特性和電學(xué)特性等性能表征技術(shù)和方法;(4)探測(cè)單分子水平的生物信號(hào)是如何傳導(dǎo)的, 以揭示活細(xì)胞內(nèi)分子—分子間生物信號(hào)傳導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及生物學(xué)效應(yīng);(5)研究生物大分子間的相互作用和分子的合成;(6)測(cè)量與表征單個(gè)生物大分子在生命過(guò)程中的個(gè)體及其群聚集體的行為和功能, 認(rèn)識(shí)生命過(guò)程的本質(zhì)。

4、納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇與展望

4.1、納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇

納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給納米測(cè)量技術(shù)提出了挑戰(zhàn), 同時(shí)納米科學(xué)技術(shù)的新成果、新技術(shù)和新方法的不斷涌現(xiàn)以及新理論的建立, 又為納米測(cè)量技術(shù)提供了新的發(fā)展機(jī)遇和有效手段, 例如:(1)碳納米管具有精細(xì)的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的導(dǎo)電和力學(xué)特性, 因此可以用碳納米管作為掃描探針顯微鏡的探針, 探測(cè)金屬膜表面的結(jié)構(gòu)、納米電子器件的電學(xué)特性。

(2)單電子晶體管可用于對(duì)極微弱電流的測(cè)量;基于單電子晶體管的納米探針可作為量子器件的電子輸運(yùn)、量子導(dǎo)電效應(yīng)的測(cè)量與性能表征。

(3)納米光鑷技術(shù)與掃描探針技術(shù)相結(jié)合, 具備精細(xì)的結(jié)構(gòu)分辨能力和動(dòng)態(tài)操控與功能研究的能力, 可用于在納米尺度上測(cè)量與表征生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系, 探測(cè)研究在生物大分子水平上的生命信息。

(4)生物芯片具有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),蛋白質(zhì)生物芯片技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的探測(cè)、識(shí)別和純化, 基因生物芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息, 從而獲得生命微觀活動(dòng)的規(guī)律。

(5)生物大分子用于制作納米探針是一種全新的探針探測(cè)技術(shù), 由于其具有高選擇性和高靈敏度被用來(lái)探測(cè)細(xì)胞物質(zhì)、監(jiān)控活細(xì)胞的蛋白質(zhì)和其他生化物質(zhì), 還可探測(cè)基因表達(dá)和靶細(xì)胞的蛋白質(zhì)生成等。

(6)一種用碳納米管制成的“納米秤”被用來(lái)測(cè)量納米顆粒、生物大分子的質(zhì)量和生物醫(yī)學(xué)顆粒(如病毒), 可能導(dǎo)致一個(gè)納米質(zhì)譜儀的產(chǎn)生。

4.2、納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向

納米測(cè)量技術(shù)面對(duì)的每一個(gè)挑戰(zhàn)和難點(diǎn)都是納米測(cè)量技術(shù)今后應(yīng)重點(diǎn)突破的研究方向。針對(duì)國(guó)內(nèi)納米測(cè)量技術(shù)已有基礎(chǔ)與現(xiàn)狀, 展望未來(lái), 我國(guó)納米測(cè)量技術(shù)應(yīng)在以下幾個(gè)方面予以重點(diǎn)研究:(1)、納米測(cè)量和性能表征新方法、新技術(shù)的研究。有三個(gè)重要的途徑: 一是創(chuàng)造新的納米測(cè)量技術(shù), 建立新的理論、新方法;二是對(duì)現(xiàn)有納米測(cè)量技術(shù)進(jìn)行改造、升級(jí)、完善, 使它們能適應(yīng)納米測(cè)量的需要;三是多種不同的納米測(cè)量技術(shù)有機(jī)結(jié)合、取長(zhǎng)補(bǔ)短, 使之能適應(yīng)納米科學(xué)技術(shù)研究的需要。

(2)、納米測(cè)量的溯源問(wèn)題, 即能按照米定義精確度量納米尺度, 建立納米科技標(biāo)準(zhǔn)。

(3)、大范圍超高精度、超高分辨率的納米測(cè)量技術(shù)研究。分析當(dāng)前各種納米測(cè)量方法可知, 現(xiàn)有每種納米測(cè)量方法均存在不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度和大測(cè)量范圍這一矛盾。而實(shí)際應(yīng)用中, 如集成電路芯片表面形貌的測(cè)量、光存儲(chǔ)和磁存儲(chǔ)大范圍信息位特征的納米測(cè)量、生物芯片性能表征技術(shù)等, 所有這些, 無(wú)不均要求在進(jìn)行大范圍測(cè)量的同時(shí)保證納米或亞納米級(jí)的高測(cè)量精度和超高分辨率。

(4)、納米測(cè)量涉及的微操作技術(shù)研究。無(wú)論是對(duì)單個(gè)納米顆粒、單根碳納米管、單個(gè)單電子晶體管, 還是對(duì)單個(gè)DNA 生物大分子、單個(gè)細(xì)胞等進(jìn)行納米測(cè)量與性能表征研究時(shí), 都涉及對(duì)這些單一納米結(jié)構(gòu)的探測(cè)、俘獲、夾持和移動(dòng)等一系列微操作技術(shù)。因此, 開(kāi)發(fā)對(duì)單一納米結(jié)構(gòu)的微操作的新方法和技術(shù)是納米測(cè)量技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)解決的研究課題。

(5)、納米級(jí)運(yùn)動(dòng)技術(shù)的研究。納米級(jí)掃描微動(dòng)工作臺(tái)為納米科學(xué)技術(shù)研究提供一維、二維或三維的納米級(jí)的微運(yùn)動(dòng)。在為納米測(cè)量技術(shù)和納米微操作技術(shù)研究提供小范圍(指一百微米以下)納米級(jí)微運(yùn)動(dòng)時(shí), 最常見(jiàn)的是以PZT 作為驅(qū)動(dòng)部件的柔性鉸鏈微動(dòng)工作臺(tái)。然而, 要為納米測(cè)量技術(shù)和納米微操作技術(shù)研究提供大范圍(指毫米量級(jí)運(yùn)動(dòng)范圍)納米級(jí)精度的微運(yùn)動(dòng)時(shí), 現(xiàn)有微動(dòng)工作臺(tái)卻不能滿足要求。因此, 大范圍納米級(jí)精度的微動(dòng)工作臺(tái)的研制是擺在納米測(cè)量與微操作技術(shù)面前的重要研究課題。

5、掃描隧道顯微鏡技術(shù)

5.1、納米科技與掃描隧道顯微鏡

中國(guó)科學(xué)院院士白春禮曾說(shuō):“人類進(jìn)入納米科技時(shí)代的重要標(biāo)志是納米器件的研制水平和應(yīng)用程。”，而掃描隧道顯微鏡測(cè)量技術(shù)的提高則可以顯著提高納米器件的研制水平，并促進(jìn)納米制造技術(shù)的發(fā)展。掃描隧道顯微鏡技術(shù)是一門綜合技術(shù)，它隨著納米科技的發(fā)展而發(fā)展，為了能夠深入研究和改進(jìn)這一技術(shù)，就必須對(duì)納米科技與掃描隧道顯微鏡的關(guān)系、掃描隧道顯微鏡的工作原理和掃描隧道顯微鏡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 等理論基礎(chǔ)知識(shí)有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。

納米科學(xué)和技術(shù)是在納米尺度上(0.1-100nm之間)研究物質(zhì)(包括原子、分子)的特性和相互作用，并且利用這些特性的多學(xué)科的高科技。其最終目的是直接以物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的特性，制造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。納米科學(xué)大體包括納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米光學(xué)、納米化學(xué)等領(lǐng)域。

人類僅僅用眼睛和雙手認(rèn)識(shí)和改造世界是有限的，例如:人眼能夠直接分辨的最小間隔大約為0.07;人的雙手雖然靈巧，但不能對(duì)微小物體進(jìn)行精確的控制和操縱。但是人類的思想及其創(chuàng)造性是無(wú)限的。1982年，IBM(國(guó)際商業(yè)機(jī)器)公司蘇黎世試驗(yàn)室的葛·賓尼(Gerd BIImig)博士和海·羅雷爾(Heinrich Rohre:)博士及其同事們共同研制成功了世界第一臺(tái)以物理學(xué)為基礎(chǔ)、集多種現(xiàn)代技術(shù)為一體的新型表面分析儀器—掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunnelling Microscope，簡(jiǎn)稱STM)。STM不僅具有很高的空間分辨率(橫向可達(dá)0.1nm，縱向優(yōu)于0.01nm)，能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu);而且還能對(duì)原子和分子進(jìn)行操縱，從而將人類的主觀意愿施加于自然。STM使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的前景，被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為二十世紀(jì)八十年代世界十大科技成就之一?？梢哉f(shuō)STM是人類眼睛和雙手的延伸，是人類智慧的結(jié)晶。

基于STM的基本原理，隨后又發(fā)展起來(lái)一系列掃描探針顯微鏡(SPM)。如:掃描力顯微鏡(SFM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微境(SNOM)等。這些新型顯微技術(shù)都是利用探針與樣品的特殊相互作用來(lái)探測(cè)表面或界面在納米尺度上表現(xiàn)出的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

雖然納米科技的歷史可以追溯到三十多年前著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在美國(guó)物理年會(huì)上的一次富有遠(yuǎn)見(jiàn)的報(bào)告，但是“納米科技”一詞還是近幾年才出現(xiàn)的，也正是SPM技術(shù)及其應(yīng)用迅速發(fā)展的時(shí)期。第5屆國(guó)際STM會(huì)議與第1屆國(guó)際納米科技會(huì)議于1990年在美國(guó)同時(shí)召開(kāi)不能不說(shuō)明SPM與納米科技之間存在著必然聯(lián)系、SPM的相繼問(wèn)世為納米科技的誕生與發(fā)展起了根本性的推動(dòng)作用，而納米科技的發(fā)展也將為SPM的應(yīng)用提供廣闊的天地。

納米科技是未來(lái)高科技的基礎(chǔ)，而科學(xué)儀器是科學(xué)研究中必不可少的試驗(yàn)手段，STM及其相關(guān)儀器(SPM)必將在這場(chǎng)向納米科技進(jìn)軍中發(fā)揮無(wú)法估量的作用。5.2、掃描隧道顯微鏡的工作原理

掃描隧道顯微鏡的工作原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)。對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)粒子的動(dòng)能E低于前方勢(shì)壘的高度V。時(shí)，它不可能越過(guò)此勢(shì)壘，即透射系數(shù)等于零，粒子將完全被彈回。而按照量子力學(xué)的計(jì)算，在一般情況下，其透射系數(shù)不會(huì)等于零，也就是說(shuō)，粒子可以穿過(guò)比它的能量更高的勢(shì)壘，這個(gè)現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)如圖1.3所示

圖2 量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)示意圖

掃描隧道顯微鏡是將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)(通常小于1nm)，在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過(guò)兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極，形成隧道電流，其大小為:，式中Vb是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，S為樣品與針尖的距離，Φ是平均功函數(shù)，A為常數(shù)，在真空條件下約等于1。

由上式可知，隧道電流強(qiáng)度對(duì)針尖和樣品之間的距離有著指數(shù)的依賴關(guān)系，當(dāng)距離減小0.1nm，隧道電流即增加約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，根據(jù)隧道電流的變化，我們可以得到樣品表面微小的高低起伏變化的信息，如果同時(shí)對(duì)X、Y方向進(jìn)行掃描，就可以直接得到三維的樣品表面形貌圖。

根據(jù)隧道電流I和樣品與針尖距離S之間的關(guān)系，STM主要的工作模式有兩種:恒高模式和恒流模式。恒高模式是指保持隧道距離S不變而檢測(cè)隧道電流I的變化。恒流模式是指保持隧道電流I不變而檢測(cè)隧道距離S的變化。兩種工作模式的示意圖如圖1.4所示。

圖 3 STM的恒高和恒流兩種工作模式示意圖

5.3、掃描隧道顯微鏡的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

STM儀器一般由STM頭部(含探針和樣品臺(tái))、三維掃描控制器、電子學(xué)控制系統(tǒng)、減震系統(tǒng)和在線掃描控制及離線數(shù)據(jù)處理軟件等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。

圖4 STM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

探針針尖的結(jié)構(gòu)是掃描隧道顯微技術(shù)要解決的主要問(wèn)題之一。針尖的大小、形狀和化學(xué)同一性不僅影響著掃描隧道顯微鏡圖像的分辨率和圖像的形狀，而且也影響著測(cè)定的電子態(tài)。如果針尖的尖端只有一個(gè)穩(wěn)定的原子而不是有多重針尖，那么隧道電流就會(huì)很穩(wěn)定，而且能夠獲得原子級(jí)分辨率的圖像。目前制備針尖的方法主要有電 化學(xué)腐蝕法(金屬鎢絲)、機(jī)械成型法(鉑一銥合金絲)等。由于鎢針尖能夠滿足STM儀器剛性的要求，因而被廣泛地使用。但由于鎢針尖在水溶液中或暴露在空氣中時(shí)，容易形成表面氧化物，因此在真空中使用前，最好在超高真空系統(tǒng)中進(jìn)行蒸發(fā)，在空氣中使用前，通過(guò)退火或使用離子研磨技術(shù)中的濺射等方法除去針尖表面的氧化層。為了得到銳利的針尖，通常用電化學(xué)腐蝕法處理金屬鎢絲。與鎢相比，鉑材料雖軟，但不易被氧化，在鉑中加入少量銥(例如鉑銥的比例為80%:20%)形成的鉑銥合金絲，除保留了不易被氧化的特性外，其剛性也得到了增強(qiáng)，故現(xiàn)在大部分人使用鉑銥合金作為隧道針尖材料。為了得到銳利的針尖，通常對(duì)鉑銥合金絲就用剪刀剪切。

三維掃描控制器的作用是控制針尖在樣品表面進(jìn)行高精度的掃描，用普通機(jī)械的控制是很難達(dá)到這一要求的。目前普遍使用壓電陶瓷材料作為X、Y、Z掃描控制器件，壓電陶瓷材料能以簡(jiǎn)單的方式將1mV-1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成十幾分之一納米到幾微米的位移。

電子學(xué)控制系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使探針逼近樣品，進(jìn)入隧道區(qū)，而后不斷采集隧道電流，在恒電流模式中將隧道電流與設(shè)定值相比較，再通過(guò)反饋系統(tǒng)控制探針的進(jìn)與退，保持隧道電流的穩(wěn)定。

在線掃描控制及離線數(shù)據(jù)處理軟件主要用來(lái)控制STM的整個(gè)連續(xù)掃描過(guò)程以及測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄顯示和后續(xù)處理，是整個(gè)系統(tǒng)的核心之一。

減震系統(tǒng)也很重要。由于儀器工作時(shí)針尖與樣品的間距一般小于Inm，同時(shí)隧道電流與隧道間隙成指數(shù)關(guān)系，因此任何微小的震動(dòng)都會(huì)對(duì)儀器的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。必須隔絕的兩種類型的擾動(dòng)是震動(dòng)和沖擊，其中震動(dòng)隔絕是最主要的。

5.4、掃描隧道顯微鏡的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于任何儀器來(lái)說(shuō)，必然會(huì)既有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)。與現(xiàn)有的其他表面分析技術(shù)相比，STM具有的如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(l)、具有原子級(jí)高分辨率，STM在平行和垂直于樣品表面方向上的分辨率分別可達(dá)0.Inm和0.olnm，即可以分辨出單個(gè)原子。

(2)、可實(shí)時(shí)地得到在實(shí)空間中表面的三維圖像，這種可實(shí)時(shí)觀察的性能可用于表面擴(kuò)散等動(dòng)態(tài)過(guò)程的研究。

(3)、可觀察單個(gè)原子層的局部表面結(jié)構(gòu)，而不是對(duì)體相或整個(gè)表面的平均性質(zhì)，因而可直接觀察到表面缺陷。

(4)、可在真空、大氣、常溫等不同環(huán)境下工作，甚至可將樣品浸在溶液中，并且探測(cè)過(guò)程對(duì)樣品無(wú)損傷。

(5)、配合掃描隧道譜STS(Scanning Tunneling Spectroscopy)可以得到有關(guān)表面電子結(jié)構(gòu)的信息

如上所述，盡管STM具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的主要有如下四點(diǎn):(1)、能夠使用STM進(jìn)行觀察表面形貌的首要條件是樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，這是源于STM工作原理的缺陷，可以使用AFM彌補(bǔ)這一不足。

(2)、STM對(duì)工作環(huán)境要求非常高，普通STM只有在真空中測(cè)得的數(shù)據(jù)才具有較高的準(zhǔn)確度，為普及推廣STM可通過(guò)改進(jìn)STM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)大氣環(huán)境。

(3)、普通STM所測(cè)量范圍較小，一般在幾個(gè)微米內(nèi)，也就無(wú)法測(cè)量表面形貌起伏波長(zhǎng)為幾個(gè)微米或者更大的微納器件。

(4)、普通STM難以準(zhǔn)確測(cè)量樣品表面上的溝槽，對(duì)具有高深一寬比結(jié)構(gòu)的微納器件更加難以測(cè)量。

6、結(jié)束語(yǔ)

納米科學(xué)技術(shù)已成為本世紀(jì)世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)科學(xué), 納米測(cè)量技術(shù)是從事納米科學(xué)技術(shù)研究的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。“沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué), 至少是沒(méi)有真正意義上的科學(xué)”——科學(xué)家門德列耶夫高度概括了測(cè)量在科學(xué)技術(shù)上的至關(guān)重要地位。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 不僅給納米測(cè)量技術(shù)提出了挑戰(zhàn), 而且也給納米測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇。同時(shí), 納米測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新, 將給納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供全新的發(fā)展機(jī)遇, 納米測(cè)量技術(shù)上的突破, 無(wú)疑將導(dǎo)致納米科學(xué)技術(shù)研究水平的不斷提高。