介绍了我们研制的一种高精度、具有计量学意义的原子力显微镜测头.该显微测头与其它部件协同工作在50 mm×50 mm×2 mm的测量范围内实现纳米级精度的测量.测头采用光束偏转法检测探针悬臂的微小偏移,由单模保偏光纤引入半导体激光作为光源.该测头安装有3个立体反射镜作为激光干涉仪的参考镜.样品与原子力显微镜测头的相对位置可以由激光干涉仪直接读数,可溯源到米国际定义及国家基准上.激光干涉仪的布置无阿贝误差.测头采用立体光路设计,结构紧凑.测头厚度小于20 mm,质量约200g,却实现了100mm的反射光程.使用该测头测得与量块表面的力-距离曲线,还测得标称高度300 nm SiO2台阶样板的图像,分辨率优于0.05 nm.

对几中纳米技术进行了综述。纳米计量仪器由三大部分组成：位移系统、计量系统和探测系统，文中论述了这三个部分的现状及发展趋势。最后介绍了计量院的计量型原子力显微镜及兼容型扫描探针显微镜的特点和技术指标，并给出了测量实例。

简要介绍用于ＭＥＮＳ和微电子标准的纳米计量技术，并对其发展提出建议。

光学共焦显微镜现己广泛地应用于微机械、生物样品、材料及微电子器件的三维测量,但经典的光学共焦显微镜由于原理性限制,其分辨率与精确度远低于接触式传感器.现结合双频激光干涉仪和共焦显微镜的优点,使激光干涉共焦显微镜不仅横向分辨率高,而且使纵向分辨率达到0.1nm,扩展不确定度U95=13.4 nm,使之能测量纳米量级形位变化,而且测量值直接溯源至激光波长.

2000年1月，在北京中国计量科学研究院进行了由瑞士联 邦计量局（OFMET）主持的纳米样板——一维光栅的国际比对。运用两种激光器，利用李特 洛( littrow)衍射法对光栅栅距进行了精确测量，并对测量结果的合成标准不确定度作了详细分 析。

分析了热电偶温度测量不确定度、温场稳定度测量不确定度和温场均匀度测量不确定度,为精密环境的温场参数测量和控制提供理论保障.分析表明,热电偶测温不确定度与热电偶热电动势、参考端温度传感器的测量不确定度密切相关;温场均匀度测量不确定度与热电偶热电动势的测量不确定度密切相关;温场稳定度测量不确定度与热电偶热电动势和温差拟合函数的关系密切,在一次线性拟合的条件下取决于拟合函数的斜率.针对测量过程中存在的脉冲噪声和热电偶非线性的干扰,结合精密环境温度信号变化缓慢的特点,提出综合运用均值滤波和中值滤波处理热电偶热电动势测量数据去除测量中脉动噪声和热电偶非线性对测量结果的影响.

SPM是在纳米尺度上进行测量的重要的测量仪器之一,随着SPM进入工业测量领域,SPM的校准、量值溯源和测量不确定度分析已经成为SPM能够作为计量仪器使用的关键所在.文章论述了一种计量型原子力显微镜的构成、校准以及在国际比对中的应用.

建立了具有立体光路的光束偏转法原子力测头的模型，给出测头的放大能力，证明光路不会对光束偏转法的分辨力造成影响．分析了光路特性，说明光斑运动轨迹与规律．以此为基础完成了一个用于纳米计量的原子力测头．测头读数可溯源．测头的重复性通过实验验证，测头信号实验标准差为0．318nm．该测头应用在“2．5维大范围纳米结构测量系统”中，对台阶高度样板进行测量，取得了良好结果．

计量型原子力显微镜纳米测量系统主要由扫描器、测针位置传感器和一体化微型激光干涉三维测量系统等部分构成．针对计量型原子力显微测量系统，采用三维激光干涉测量系统作为测量基准，以实现原子力测量系统的纳米尺度量值溯源和校准工作．建立了校准模型，分析了扫描器9项主要误差项，并将该模型应用到原子力显微镜扫描器的校准中．校准后的结果表明，除z轴位置误差不超过±2nm外，其他8项的残余误差均不超过±1nm．通过台阶高度国际比对，建立了台阶高度标准计算方法及不确定度分析模型．台阶高度国际比对的测量结果表明，计量型原子力显微镜的测量值与参考值相差均小于1．5nm．

原子力显微镜是广泛应用的纳米测量仪器。中国计量科学研究院成功研制了计量型原子力显微镜纳米测量系统,本文介绍了该系统的技术特点和指标,并通过与发达国家的比对测试验证了该系统在测量原理、测量精度及可溯源性方面已达到了国际先进水平。