讨论了超声波在流体内传播过程中流速补偿问题,建立了流量测量的数学模型,并给出测量系统的结构框图.针对超声检测流量中的流场分布情况,采用高电压窄脉冲信号触发超声波发射电路、高频振荡计数与相敏检波相结合的高精度在线检测方法提高测量的精度,并利用系统内存储的测量环境数据和实际测量时的温度对测量结果进行补偿,保证测量的稳定性;分析了测量误差来源以及消除误差的方法.

在原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)的拍击工作模式(Tapping Mode)下,探针的振幅受探针-样品间作用力的影响.该作用力与两者的间距密切相关,以探针-样品间作用力的平衡位置为界,将探针-样品间距划分为引力作用区域和斥力作用区域.本文中通过实验得到了探针的振幅随探针-样品间距变化的关系曲线--振幅曲线,详细讨论了振幅曲线与探针-样品间作用力的关系;并通过计算机模拟验证了振幅随探针-样品间距的变化关系.结果表明研究软样品时应该尽可能选取引力作用区域,以避免测量对样品的影响.

提出了将时间相移显微干涉测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上．该方法速度快、无损、非接触、易在晶片级进行，具有亚微米级的水平分辨力，垂直分辨力在纳米量级．测量系统采用Mirau显微干涉物镜，利用高性能压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向的相移，并通过健壮的5帧Hariharan算法获取表面的相位信息．通过测量美国国家标准研究院（NIST）认证的标准台阶对系统进行了精度标定，并通过测量微谐振器和压力传感器微薄膜的几何尺寸说明了该方法作为测量和过程表征工具的功能．

提出了一种在计量型原子力显微镜（AFM）上开发力曲线功能模块的方法.通过在计量型原子力显微镜上增加可调三角波发生器、信号切换和缓冲电压保护电路,对计量型原子力显微镜的内部驱动信号和外加驱动信号进行了平滑切换,避免了原子力显微镜压电陶瓷驱动器的剧烈变化,实现了计量型原子力显微镜的力曲线功能.采用开发的力曲线模块绘制了计量型原子力显微镜的力曲线图形,基于力曲线功能测量了纳米梁谐振器的离面振动特性,并与显微激光多普勒测振仪的测振结果进行了比对,实验结果表明本文提出的方法和建立的系统是正确的.

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜（AFM）测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机（NMM）为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至＂米＂定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.

反射差分光谱术（RDS）是研究材料表面和薄膜光学各向异性属性的重要手段.现有的技术以光弹调制器（PEM）式单通道测量模式为主,可以实时监测单个波长的反射差分信号,但全光谱测量则需要采用扫描波长的方式完成,耗时长,不适合在线监测等时效性强、全光谱测量的应用.在研究基于光弹调制器的多通道反射差分光谱仪的技术实现的基础上,结合虚拟仪器技术、高速多通道同步采集卡和数字锁相放大算法,提出一种新的多通道测量构架.实验表明,新方法在全光谱范围内测量信号的标准偏差小于10-3,在仪器开发上具有组合灵活、扩展性好等优点.

将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合形成了一种白光等步长相移算法,该方法快速、准确、非接触,垂直分辨力可达亚纳米级.测量系统集成了Mirau显微干涉物镜,并通过高精度压电陶瓷纳米定位器带动物镜进行垂直扫描.分析了Carré法应用于白光干涉信号的相位提取的精度,对不同扫描步距以及不同信噪比情况下的测量进行了计算机仿真,确定了测量参数.结合重心法将相位计算的数据范围直接定位于干涉信号的零级条纹,从而省去了相位解包裹过程.通过对微谐振器和标准台阶的测量说明了该方法的有效性,并使用白光相移干涉、白光垂直扫描和单色光相移干涉对44 nm标准台阶进行了测量,并对测量结果进行了比较.

针对广泛应用的扫描电镜和台阶仪在测量纳米厚度时存在的破坏性和近似性等局限性，提出了一种基于弯曲测试技术实现纳米梁厚度精密测量的方法．该方法的核心思想是悬浮结构在载荷的作用下产生初始弯曲直至其下表面与衬底接触的过程中形成的载荷一位移曲线会出现斜率明显不同的两个直线段，其交点代表了悬浮结构下表面与衬底之间的初始接触，由此可测量出该悬浮结构下表面与衬底之间的间隙，从而间接得到结构的厚度值．分别采用原子力显微镜（AFM）和纳米压痕仪作为测试平台对单晶硅固支纳米梁进行了厚度测量，两种测量仪器得到了一致性较好的测量结果．讨论了测量随机误差、系统误差以及数据计算误差等对测试结果的影响和相应的误差降低方法．

提出了一种测量溶液粘度的微悬臂梁谐振技术.推导了溶液粘度与微悬臂梁的谐振频率的理论关系式,并利用原子力显微镜的微悬臂梁测量了不同质量分数的甘油溶液和蔗糖溶液的粘度.与落球法测量结果的比较表明,利用微悬臂梁谐振频率技术测量液体粘度的误差小于4%.这种方法不仅可以作为液体粘度的一般性测量方法,也可以通过检测溶液粘度变化来监测溶液中的化学反应.

通过对利用原子力显微镜（AFM）阳极诱导氧化作用下在硅表面生成纳米氧化结构的特征的讨论，发现通过改变加工时的偏置电压和脉冲宽度，氧化点高度和宽度与所施加偏置电压呈对数关系，氧化点高度与宽度与脉冲宽度呈指数关系；同时发现在环境温度和氧气浓度保持不变的条件下通过改变加工中的相对大气湿度，氧化点结构的高度和宽度随相对湿度的增加而增加．文中对该现象进行了讨论，并对加工条件进行了优化．