專利名稱：以石墨烯鍵長作為計量基準(zhǔn)的長度計量溯源方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米計量溯源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種能輸出具有實(shí)時精度溯源性測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的計量及溯源的方法。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)已成為推動全球科技革新、經(jīng)濟(jì)增長的重大領(lǐng)域，隨著其蓬勃發(fā)展，各種亞納米級精度的計量及溯源方法已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和實(shí)際生產(chǎn)中，它使人類能實(shí)時地觀察單個原子在物體表面的排列，進(jìn)行納米級的測量、加工、信息存儲等，具有巨大的應(yīng)用潛力?，F(xiàn)在越來越多的現(xiàn)代測量及加工要求測得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時精度溯源性，但現(xiàn)實(shí)檢測及加工中往往并不知道所計量精度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時穩(wěn)定性，因此對待檢測對象實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的計量及溯源顯得尤為重要。
標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)對計量檢測儀器的實(shí)時反饋和校準(zhǔn)將起到很重要的作用。目前具有溯源性的亞納米級測量主要來源于微電子工業(yè)，傳統(tǒng)的計量檢測儀器校準(zhǔn)往往為有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)，并指明有效期限；目前國外流行的測量方法是利用已知納米結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量校準(zhǔn)，如聚苯乙烯微球、金納米微球、光柵條紋等。石墨烯具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，外部機(jī)械力不能改變晶格結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性良好，易觀測。碳原子之間鍵長約為O. 142nm,單層石墨烯厚度為原子厚度。石墨烯晶格結(jié)構(gòu)有可能作為實(shí)現(xiàn)亞納米級精度測量的標(biāo)準(zhǔn)校正樣塊，提高現(xiàn)有測量技術(shù)的測量精度與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的實(shí)時計量及溯源。本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的長度計量及溯源，提高現(xiàn)代測量及加工中數(shù)據(jù)的實(shí)時，穩(wěn)定，精度溯源性。在本發(fā)明中利用石墨烯鍵長作為長度計量溯源的基準(zhǔn)，利用檢測的石墨烯鍵長數(shù)量對待檢測對象(如，樣品、制造裝備的運(yùn)動元部件、測量裝備的運(yùn)動元部件等)進(jìn)行長度計量及溯源，將待檢測對象與石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺進(jìn)行超精密同步運(yùn)動控制聯(lián)接，通過掃描的石墨烯鍵長數(shù)量(檢測方式可為聚焦電子束成像、探針掃描等方式)表征石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺的運(yùn)動長度，實(shí)時檢測石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺運(yùn)動，從而獲得待檢測對象亞納米級精度的長度計量，實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的長度計量溯源。

發(fā)明內(nèi)容
采用石墨烯晶格鍵長為精度基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的長度計量溯源。石墨烯晶格長度為O. 142nm，為亞納米長度，具有長期穩(wěn)定性和周期性長度，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明以石墨烯為基準(zhǔn)樣品，作為測量基準(zhǔn)溯源物質(zhì)。將石墨烯基準(zhǔn)樣品和待測對象(如，樣品、制造裝備的運(yùn)動元部件、測量裝備的運(yùn)動元部件等)分別放置在各自的運(yùn)動控制平臺上，其中一套檢測裝置(檢測方式可為聚焦電子束成像、探針掃描等方式)置于石墨烯基準(zhǔn)樣品的上方，另一套檢測裝置置于待測對象的上方。測量時實(shí)時將檢測到的石墨烯基準(zhǔn)樣品信息和內(nèi)置石墨烯晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行對比，利用內(nèi)置石墨烯晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)信號校正石墨烯基準(zhǔn)樣品測量時可能存在的環(huán)境影響誤差；待檢測對象的運(yùn)動控制平臺與石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺為超精密同步運(yùn)動聯(lián)接，校正后的石墨烯基準(zhǔn)樣品測量信號反饋至待檢測對象的檢測裝置，實(shí)現(xiàn)待檢測對象亞納米級精度計量溯源。超精密同步運(yùn)動控制聯(lián)接裝置系統(tǒng)可使兩套檢測裝置同步實(shí)時檢測，所以在測試過程中可以實(shí)時將檢測的石墨烯的晶格信號對比結(jié)果同待測對象的檢測信號進(jìn)行比對合成，將此合成信號作為待測對象檢測裝置的控制信號和聯(lián)動工作臺精確移動的控制信號，使工作臺運(yùn)動保持以石墨烯晶格長度為基準(zhǔn)或步長的精確移動，實(shí)現(xiàn)長度計量溯源。待測對象同石墨烯置于同一工作環(huán)境下，所以在測試過程中由外界干擾帶來的誤差將同時反應(yīng)在待測對象和石墨烯上，而石墨烯的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)信號同實(shí)測石墨烯信號存在誤差，利用石墨烯的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)信號校正石墨烯基準(zhǔn)樣品的實(shí)時測量，能夠有效消除測量過程中因環(huán)境干擾而造成的測量精度損失，有效提高測量精度。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果如下(I)本發(fā)明由于采用石墨烯鍵長為精度溯源，石墨烯具有長期穩(wěn)定性，周期性，保證了測量數(shù)據(jù)的長期穩(wěn)定性。(2)本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)石墨稀和待測對象的超精密聯(lián)動控制，以石墨稀晶格的碳原子鍵長為長度計量溯源的基準(zhǔn)，以同步掃描石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品獲得的石墨烯鍵長數(shù)量(石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品的掃描方式可為聚焦電子束成像、探針掃描等方式)為檢測結(jié)果，從而能夠精確控制待測對象檢測裝置和各工作臺的運(yùn)動。(3)本發(fā)明中外界對裝置系統(tǒng)的影響能夠反映在石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品檢測裝置系統(tǒng)上，通過同內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)石墨烯信號對比，實(shí)時校正石墨烯基準(zhǔn)樣品測量時的誤差，提高了檢測時的穩(wěn)定性，減小了外界環(huán)境變化的影響。


圖I為內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的石墨烯檢測信號。圖2為本發(fā)明亞納米級精度的長度計量溯源測量方法原理框圖。圖3為超精密同步運(yùn)動控制聯(lián)動裝置系統(tǒng)聯(lián)動圖。圖4為信號分析控制處理流程圖。附圖標(biāo)記說明1.石墨烯基準(zhǔn)樣品檢測裝置'2.待測對象檢測裝置；3.石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品移動工作臺；4.待測對象移動工作臺；5.超精密同步運(yùn)動聯(lián)動裝置系統(tǒng)；6.石墨烯基準(zhǔn)樣品；7.待測對象；8.信號分析控制系統(tǒng)；
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和工作原理對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。結(jié)合圖2所示，此測試系統(tǒng)由超精密同步運(yùn)動聯(lián)動裝置系統(tǒng)5、石墨烯基準(zhǔn)樣品檢測裝置I及石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品移動工作臺3、待測對象檢測裝置2及待測對象移動工作臺4，信號分析控制系統(tǒng)8組成。在掃描測量中石墨烯和待測對象放置在各自工作臺上，分別置于石墨烯基準(zhǔn)樣品檢測裝置I和待測對象檢測裝置2下。石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品移動工作臺3和待測對象移動工作臺4之間通過超精密同步運(yùn)動聯(lián)動裝置系統(tǒng)5聯(lián)動，兩者之間具有亞納米的定量位移函數(shù)關(guān)系。當(dāng)檢測裝置與相應(yīng)平臺之間移動時，將檢測到的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息和預(yù)設(shè)的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對比，校正石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息的誤差；校正后的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息根據(jù)位移函數(shù)進(jìn)行換算；檢測待測對象的位移信號；對比換算的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息和待測對象的位移信號，得到待測對象的檢測裝置檢測結(jié)果的不確定度，實(shí)現(xiàn)待檢測對象精度計量溯源。以石墨烯基準(zhǔn)樣品檢測裝置I的實(shí)時測量信號同內(nèi)置的石墨烯標(biāo)準(zhǔn)信號作對比，利用內(nèi)置石墨烯晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)信號校正石墨烯基準(zhǔn)樣品測量時可能存在的環(huán)境影響誤差，反饋至待測對象檢測裝置2對待測對象信息的獲取，從而獲得待測對象的亞納米級精度的長度信息。結(jié)合圖3說明超精密同步運(yùn)動聯(lián)動裝置系統(tǒng)石墨烯和待測對象放置在各自工作臺上，兩工作臺通過同步運(yùn)動聯(lián)動裝置聯(lián)接。以石墨烯晶格的碳原子鍵長為長度計量溯源 的基準(zhǔn)，以同步掃描石墨烯標(biāo)準(zhǔn)樣品獲得的石墨烯鍵長數(shù)量為檢測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)待檢測對象的移動平臺與石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺進(jìn)行超精密同步運(yùn)動，保證待檢測對象的移動長度與石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺的同步運(yùn)動不確定度在亞納米量級。結(jié)合圖4說明系統(tǒng)控制信號處理流程將石墨烯基準(zhǔn)樣品檢測裝置I獲得的一定區(qū)域內(nèi)的實(shí)時石墨烯信號同內(nèi)置的石墨烯標(biāo)準(zhǔn)信號作對比，利用內(nèi)置石墨烯晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)信號校正石墨烯基準(zhǔn)樣品測量時可能存在的環(huán)境影響誤差，實(shí)現(xiàn)對待測對象信息的實(shí)時采集，從而獲得待測對象的亞納米級計量溯源信息。
權(quán)利要求
1.以石墨烯鍵長作為計量基準(zhǔn)的長度計量溯源方法，其特征在于，包括如下步驟 1)將石墨烯基準(zhǔn)樣品和待測對象分別放置在各自的平臺上，其中一套檢測裝置置于石墨烯基準(zhǔn)樣品的上方，另一套檢測裝置置于待測對象的上方；檢測裝置與相應(yīng)的平臺之間有相對位移；石墨烯基準(zhǔn)樣品和待測對象的平臺為超精密同步運(yùn)動聯(lián)接，并具有定量位移函數(shù)關(guān)系； 2)當(dāng)檢測裝置與相應(yīng)平臺之間移動時，將檢測到的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息和預(yù)設(shè)的石墨烯晶格結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對比，校正石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息的誤差； 3)校正后的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息根據(jù)步驟I)中的位移函數(shù)進(jìn)行換算； 4)檢測待測對象的位移信號； 5)對比步驟3)中換算的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息和步驟4)中待測對象的位移信號，得到待測對象的檢測裝置檢測結(jié)果的不確定度，實(shí)現(xiàn)待檢測對象精度計量溯源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于待測對象的移動長度與石墨烯基準(zhǔn)樣品的同步運(yùn)動不確定度在亞納米量級。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于通過所述的石墨烯基準(zhǔn)樣品鍵長信息，推算出待測量對像的測量長度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以石墨烯鍵長作為計量基準(zhǔn)的長度計量溯源方法，利用石墨烯鍵長作為長度計量溯源的基準(zhǔn)，利用檢測的石墨烯鍵長數(shù)量對待檢測對象進(jìn)行長度計量及溯源，實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的長度計量溯源。將待檢測對象與石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺進(jìn)行超精密同步運(yùn)動控制聯(lián)接，通過掃描的石墨烯鍵長數(shù)量表征石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺的運(yùn)動長度，實(shí)時檢測石墨烯基準(zhǔn)樣品承載臺運(yùn)動，從而獲得待檢測對象亞納米級精度的長度計量，實(shí)現(xiàn)亞納米級精度的長度計量溯源；該方法利用石墨烯晶格作為長度計量溯源的基準(zhǔn)，具有穩(wěn)定性高、計量精度可達(dá)亞納米級、簡單可靠等特點(diǎn)，在超精密計量溯源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01B15/00GK102889866SQ20121037135
公開日2013年1月23日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者劉紅忠, 蔣維濤, 姜維, 丁玉成, 盧秉恒 申請人:西安交通大學(xué)