基于静电力的微纳力值计量技术与溯源方法研究

微纳量级的质量等相关物理量的计量是纳米技术发展的重要保证。先进国家计量院相继研究、建立微纳力值标准装置,实现了原子力显微镜中的悬臂梁弹性常数的可溯源标定。目前基于静电力原理的微纳力值标准装置可实现10~(-3)~10~(-6)N的静态力值测量,相对不确定度可控制在1%的量级。基于硅器件加工工艺得到的有源悬臂或无源悬臂可将这一范围的标准力值进行有效的传递。微纳力值在10~(-6)N量级的计量技术拓展了传统力值计量领域,为未来实现更微小的力值标定打下坚实基础。     

柱状电容位置误差对微纳力值测量影响分析

为确定微纳力值测量过程中,柱状电容装置位置控制与测量误差对输出结果的影响,采用有限元方法对微纳力值测量与量值溯源装置中采用的圆柱状电容装置位置变化时对输出微纳力值的影响进行分析。通过比较装置内外电极发生平动或转动时,装置输出微纳力值的变化规律,得到实际应用过程中由于对圆柱电容测量或位置控制误差所造成的输出结果偏差,同时确定各种位置误差对输出结果的影响规律。该结果为微纳力值测量和量值溯源装置的设计、安装、应用等提供了理论依据。     

基于差动原理的双叉指电容式微纳力发生装置

微纳力的产生是微纳力量值溯源中的关键技术问题,而输入电压的不稳定性和装置卸载后的残余电容对电容式微纳力发生装置输出力值的准确性将产生较大影响。本文利用差动结构原理,将双叉指状电容结构应用于微纳力发生装置中,实现了在水平方向生成标准的微纳力值。经过与传统装置的比较分析表明:该装置能在不增加辅助设备的情况下,有效减少外部输入电压不稳定性以及残余电容引起的残余静电力对标准微纳力值输出的影响,为微纳力量值溯源装置的设计提供了有益的参考。     

基于叉指电容阵列模块的宽量程微纳力源装置

微纳牛顿量级的标准力源是微纳力测量和量值溯源装置中的核心部件,如何在较低电压下获得稳定的宽量程标准微纳力源,是提高微纳力测量装置测量准确度、扩大测量范围需解决的重要技术问题.利用叉指电容结构,通过引入叉指电容阵列的方法,设计了一种能在较低电压下输出宽量程标准微纳力值的力源.经分析表明:该装置能在较低恒定电压下实现稳定的...     

实验室动态

<正>福建省计量院与PTB 50兆牛力标准装置力值比对成功日前,福建省计量院60兆牛力标准机与德国联邦物理技术研究院(PTB)50兆牛力标准装置在福州进行了力值比对。比对结果双方力值偏差在50兆牛仅为0.001%,力值高度一致,进一步验证该院60兆牛力标准机准确度比设计提高一个数量级,达到国际领先水平。福建省计量院60兆牛力标准机于2014年建成,并经过两位院士和国内外力值计量领域权威专家的     

国际校准实验室的发展趋势

校准实验室是从事计量检测设备校准，向社会提供公正检测数据，实现量值溯源，以保证全国测量统一和难确的技术机构。1887年德国最先成立了以西门子命名的帝国物理技术研究院（PTR），战后成为德国物理技术研究院（PTB）。1893年俄国建立权度总署，十月革命后发展成为以俄国计量工作奠基人门捷列夫命名的全苏计量科学研究院，现为俄罗斯圣彼得堡计量科学研究院。1900年英国建立了以研究计量基准为中心，以应用物理研究为基础的英国物理研究所（NPL）。1901年美国正式成立了美国标准局（NBS）。这些国家级计量研究机构的建立，标志着计…     

上海市计量测试技术研究院2项科研项目获上海市科技进步奖

在2012年3月30日召开的2011年度上海市科学技术奖励大会上，上海市计量测试技术研究院2项科研项目获上海市科技进步奖。 由上海市计量测试技术研究院机械与制造所牵头完成的“微纳米尺度几何量测量和溯源方法研究”项目荣获上海市科技进步二等奖，该项目围绕微米纳米测试与计量领域的一系列关键技术，在相关测试方法、测量仪器研究、量值溯源方法、相关技术的应用开发等方面展开了较为深入的研究，科研成果显著，并取得了较好的社会经济效益。     

用阵列测量技术对微米、亚微米单分散微球粒径定值

分析了微球阵列测量法的特征和应用情况,并采用该法对5种微米、亚微米单分散二氧化硅微球粒度标准物质进行了测量.其平均粒径可溯源到中国计量科学研究院标准长度.经与溯源至美国国家标准技术研究院标准长度的测量结果相对照,两个测量结果一致.证明微球阵列测量法可以应用到亚微米级单分散微球粒度标准物质的定值.     

支撑光学制造的几何量计量技术(英文)

几何量计量技术大量应用于光学制造业以检测零件质量和控制生产过程,是光学制造业的核心技术,涉及微纳米结构的几何量计量以及平面、球面、非球面、直纹曲面及自由曲面的面形计量.本文综述了德国联邦物理技术研究院支撑光学制造的部分计量技术.介绍了一种测量范围为25 mm×25 mm×5 mm的计量型大范围原子力显微镜(AFM),可灵活多样地测量各种微纳结构.介绍了一种新颖的AFM探针(ACP),可实现微纳结构侧壁形貌的直接、无损测量.介绍了一种应用Flared AFM探针的真三维AFM及其用于减少针尖磨损的矢量探测技术,可应用于各种纳米结构的真三维测量.介绍了可用于平面和中等曲面面形绝对测量的两种方法:差分型激光束偏转法和可溯源多路传感器法(TMS).讨论了面形测量中存在的挑战性难题.介绍了可用于面形测量的高精度三坐标测量机.     

毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置多自由度激光干涉计量系统

准确的纳米几何结构测量是提高集成电路、微纳机电系统和微纳技术产品的质量和性能的关键技术支撑,为了得到准确一致的测量结果,必须实现纳米尺度的量值溯源并建立量值的传递体系。为满足纳米几何结构计量从纳米尺度到毫米尺度的跨尺度计量需求,实验室研制了毫米级纳米几何特征尺寸计量标准装置,集成于该装置中的多自由度激光干涉计量系统,实现了测量结果向米定义SI单位的直接溯源。实验结果表明该系统能够在毫米级的测量范围内,实现纳米级的测量准确度,分辨力达到了亚纳米量级。     

Measuring Energies at the Nanometer-Scale of Molecular Organic Materials with an Atomic Force Microscope: TTF-TCNQ as a Case Study

The elastic response of molecular organic materials to external mechanical nanoindentations in the nano- and low micronewton force range can be characterized using ultrasharp cantilever tips of an Atomic Force Microscope (AFM). Because clear distinction between elastic and plastic deformation is achieved, the maximal accumulated elastic energy can be directly determined from the force vs. penetration curves, giving an estimate of the characteristic energies of the materials.     

一种可溯源原子力探针显微镜

研制了一种基于白光干涉的可溯源原子力探针扫描显微镜,提出了一种稳健的白光干涉零级条纹定位算法,建立了一套高分辨激光干涉位移测量系统。在此基础上提出了一种探针标定方法,实现微纳表面可溯源测量。通过对台阶高度为(21.4±1.5)nm的标准光栅进行10次重复测量,其结果的平均值为21.56 nm,标准差为0.51 nm;同时对高度为150 nm的三维特征样件进行了三维测量,验证了所研制仪器测量的准确性和稳定性。     

Quasi-monoenergetic neutron reference fields in the energy range from thermal to 200 MeV

Well-characterised neutron fields are a prerequisite for the investigation of neutron detectors. Partly in collaboration with external partners, the PTB neutron metrology group makes available for other users neutron reference fields covering the full energy range from thermal to 200 MeV. The specification of the neutron fluence in these beams is traceable to primary standard cross sections.     

Accurate velocity measurements of AFM-cantilever vibrations by Doppler interferometry

Doppler velocimetry is widely used in the measurement of nanometre resonance vibrations of micro-electromechanical systems (MEMS). It has excellent sensitivity and precision, but typical engineering applications do not require traceability of these velocity measurements to the SI system. While Doppler velocimetry is, in principle, easy to make traceable to the velocity of light, in practice a frequency-to-voltage conversion in common commercial instruments breaks this traceability unless calibrated. Typically, though, calibration is performed at a much lower frequency than those typical of MEMS devices, without the guarantee that the calibration is applicable in this higher frequency regime.

We present a method of traceable measurement of velocity in terms of the velocity of light, valid for the range of frequency and nanometre amplitudes typical of MEMS devices driven to resonance vibration. This is achieved by analysis of sideband amplitudes in the interference spectrum before demodulation of the Doppler signal. These sideband amplitudes can conveniently be measured using a benchtop spectrum analyser, a piece of widely available electrical test equipment. We illustrate the method with measurements on individual AFM cantilevers. In combination with cantilever calibration methods based on MEMS devices this method enables traceable calibration of those cantilevers employed for the measurement of pico- and nanonewton forces between individual biomolecules.     

Design and metrological applications of a low noise, high electrical isolation measurement unit

A digitally controlled voltage generation and measurement unit optimised for high-precision electrical metrology is described. It is optically isolated from the controlling computer and contains specially constructed isolated power supplies allowing continuous operation without the need to recharge batteries. The source has a simple microcontroller that is pre-programmed with firmware to control operation and to carry out simple repetitive measurement tasks, such as generation and quantisation of signals using uniform sampling. The merits of the developed unit are demonstrated by three example applications: (i) the application of the unit to control a Josephson voltage standard, (ii) the implementation of a transfer standard for the calibration of the electronic instrumentation of fatigue testing machines traceable to the primary electrical standards and (iii) the force measurement of an ion thruster traceable to the primary electrical standards at the industrial user level.     

2000t力传感器自动加载检定装置的研制

力传感器是能将力信号转换成电信号的器件或装置,在各行业中应用广泛。本文介绍一套2000t力传感器自动加载检定装置的研制方案和设计思路,检定装置的准确度等级为0.3级,可对1.0级及以下等级力传感器进行量值传递。检定装置能实现自动加载与记录功能,具有操作简便、控制精度高、运行可靠、稳定性好等特点,对开展力传感器的计量工作有极大的推动作用和现实意义。     

The Kilogram and Measurements of Mass and Force

This paper describes the facilities, measurement capabilities, and ongoing research activities in the areas of mass and force at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The first section of the paper is devoted to mass metrology and starts with a brief historical perspective on the developments that led to the current definition of the kilogram. An overview of mass measurement procedures is given with a brief discussion of current research on alternative materials for mass standards and surface profiles of the U.S. national prototype kilograms. A brief outlook into the future possible redefinition of the unit of mass based on fundamental principles is included. The second part of this paper focuses on the unit of force and describes the realization of the unit, measurement procedures, uncertainty in the realized force, facilities, and current efforts aimed at the realization of small forces.     

气体腰轮流量计测量结果的不确定度分析

气体腰轮流量计属于气体容积式流量计的一种,根据其示值误差计算方法可分为A类气体腰轮流量计和B类气体腰轮流量计,使用仪表K系数计算示值误差的为A类,使用累积流量计算示值误差的为B类。针对这两类气体腰轮流量计的测量结果分别有不同的不确定度分析方法。