专利名称：以石墨烯键长作为计量基准的长度计量溯源方法
技术领域：
本发明属于纳米计量溯源技术领域，涉及一种能输出具有实时精度溯源性测量数据，实现亚纳米级精度的计量及溯源的方法。
背景技术：
纳米技术已成为推动全球科技革新、经济增长的重大领域，随着其蓬勃发展，各种亚纳米级精度的计量及溯源方法已广泛应用于科学研究和实际生产中，它使人类能实时地观察单个原子在物体表面的排列，进行纳米级的测量、加工、信息存储等，具有巨大的应用潜力。现在越来越多的现代测量及加工要求测得的数据具有实时精度溯源性，但现实检测及加工中往往并不知道所计量精度数据的准确性和实时稳定性，因此对待检测对象实现亚纳米级精度的计量及溯源显得尤为重要。
标准参考物质对计量检测仪器的实时反馈和校准将起到很重要的作用。目前具有溯源性的亚纳米级测量主要来源于微电子工业，传统的计量检测仪器校准往往为有资质的机构用标准物质进行校准，并指明有效期限；目前国外流行的测量方法是利用已知纳米结构的标准样品进行测量校准，如聚苯乙烯微球、金纳米微球、光栅条纹等。石墨烯具有稳定的结构，外部机械力不能改变晶格结构，热稳定性良好，易观测。碳原子之间键长约为O. 142nm,单层石墨烯厚度为原子厚度。石墨烯晶格结构有可能作为实现亚纳米级精度测量的标准校正样块，提高现有测量技术的测量精度与稳定性，实现亚纳米级精度的实时计量及溯源。本发明的目的是实现亚纳米级精度的长度计量及溯源，提高现代测量及加工中数据的实时，稳定，精度溯源性。在本发明中利用石墨烯键长作为长度计量溯源的基准，利用检测的石墨烯键长数量对待检测对象(如，样品、制造装备的运动元部件、测量装备的运动元部件等)进行长度计量及溯源，将待检测对象与石墨烯基准样品承载台进行超精密同步运动控制联接，通过扫描的石墨烯键长数量(检测方式可为聚焦电子束成像、探针扫描等方式)表征石墨烯基准样品承载台的运动长度，实时检测石墨烯基准样品承载台运动，从而获得待检测对象亚纳米级精度的长度计量，实现亚纳米级精度的长度计量溯源。
发明内容
采用石墨烯晶格键长为精度基准，实现亚纳米级精度的长度计量溯源。石墨烯晶格长度为O. 142nm，为亚纳米长度，具有长期稳定性和周期性长度，本发明的技术解决方案如下本发明以石墨烯为基准样品，作为测量基准溯源物质。将石墨烯基准样品和待测对象(如，样品、制造装备的运动元部件、测量装备的运动元部件等)分别放置在各自的运动控制平台上，其中一套检测装置(检测方式可为聚焦电子束成像、探针扫描等方式)置于石墨烯基准样品的上方，另一套检测装置置于待测对象的上方。测量时实时将检测到的石墨烯基准样品信息和内置石墨烯晶格结构标准信号进行对比，利用内置石墨烯晶格结构标准信号校正石墨烯基准样品测量时可能存在的环境影响误差；待检测对象的运动控制平台与石墨烯基准样品承载台为超精密同步运动联接，校正后的石墨烯基准样品测量信号反馈至待检测对象的检测装置，实现待检测对象亚纳米级精度计量溯源。超精密同步运动控制联接装置系统可使两套检测装置同步实时检测，所以在测试过程中可以实时将检测的石墨烯的晶格信号对比结果同待测对象的检测信号进行比对合成，将此合成信号作为待测对象检测装置的控制信号和联动工作台精确移动的控制信号，使工作台运动保持以石墨烯晶格长度为基准或步长的精确移动，实现长度计量溯源。待测对象同石墨烯置于同一工作环境下，所以在测试过程中由外界干扰带来的误差将同时反应在待测对象和石墨烯上，而石墨烯的内置标准信号同实测石墨烯信号存在误差，利用石墨烯的内置标准信号校正石墨烯基准样品的实时测量，能够有效消除测量过程中因环境干扰而造成的测量精度损失，有效提高测量精度。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下(I)本发明由于采用石墨烯键长为精度溯源，石墨烯具有长期稳定性，周期性，保证了测量数据的长期稳定性。(2)本发明中实现石墨稀和待测对象的超精密联动控制，以石墨稀晶格的碳原子键长为长度计量溯源的基准，以同步扫描石墨烯标准样品获得的石墨烯键长数量(石墨烯标准样品的扫描方式可为聚焦电子束成像、探针扫描等方式)为检测结果，从而能够精确控制待测对象检测装置和各工作台的运动。(3)本发明中外界对装置系统的影响能够反映在石墨烯标准样品检测装置系统上，通过同内置标准石墨烯信号对比，实时校正石墨烯基准样品测量时的误差，提高了检测时的稳定性，减小了外界环境变化的影响。
图I为内置标准的石墨烯检测信号。图2为本发明亚纳米级精度的长度计量溯源测量方法原理框图。图3为超精密同步运动控制联动装置系统联动图。图4为信号分析控制处理流程图。附图标记说明1.石墨烯基准样品检测装置'2.待测对象检测装置；3.石墨烯标准样品移动工作台；4.待测对象移动工作台；5.超精密同步运动联动装置系统；6.石墨烯基准样品；7.待测对象；8.信号分析控制系统；
具体实施例方式以下结合附图和工作原理对本发明作进一步的详细描述。结合图2所示，此测试系统由超精密同步运动联动装置系统5、石墨烯基准样品检测装置I及石墨烯标准样品移动工作台3、待测对象检测装置2及待测对象移动工作台4，信号分析控制系统8组成。在扫描测量中石墨烯和待测对象放置在各自工作台上，分别置于石墨烯基准样品检测装置I和待测对象检测装置2下。石墨烯标准样品移动工作台3和待测对象移动工作台4之间通过超精密同步运动联动装置系统5联动，两者之间具有亚纳米的定量位移函数关系。当检测装置与相应平台之间移动时，将检测到的石墨烯基准样品键长信息和预设的石墨烯晶格结构标准信息进行对比，校正石墨烯基准样品键长信息的误差；校正后的石墨烯基准样品键长信息根据位移函数进行换算；检测待测对象的位移信号；对比换算的石墨烯基准样品键长信息和待测对象的位移信号，得到待测对象的检测装置检测结果的不确定度，实现待检测对象精度计量溯源。以石墨烯基准样品检测装置I的实时测量信号同内置的石墨烯标准信号作对比，利用内置石墨烯晶格结构标准信号校正石墨烯基准样品测量时可能存在的环境影响误差，反馈至待测对象检测装置2对待测对象信息的获取，从而获得待测对象的亚纳米级精度的长度信息。结合图3说明超精密同步运动联动装置系统石墨烯和待测对象放置在各自工作台上，两工作台通过同步运动联动装置联接。以石墨烯晶格的碳原子键长为长度计量溯源 的基准，以同步扫描石墨烯标准样品获得的石墨烯键长数量为检测结果，实现待检测对象的移动平台与石墨烯基准样品承载台进行超精密同步运动，保证待检测对象的移动长度与石墨烯基准样品承载台的同步运动不确定度在亚纳米量级。结合图4说明系统控制信号处理流程将石墨烯基准样品检测装置I获得的一定区域内的实时石墨烯信号同内置的石墨烯标准信号作对比，利用内置石墨烯晶格结构标准信号校正石墨烯基准样品测量时可能存在的环境影响误差，实现对待测对象信息的实时采集，从而获得待测对象的亚纳米级计量溯源信息。
权利要求
1.以石墨烯键长作为计量基准的长度计量溯源方法，其特征在于，包括如下步骤 1)将石墨烯基准样品和待测对象分别放置在各自的平台上，其中一套检测装置置于石墨烯基准样品的上方，另一套检测装置置于待测对象的上方；检测装置与相应的平台之间有相对位移；石墨烯基准样品和待测对象的平台为超精密同步运动联接，并具有定量位移函数关系； 2)当检测装置与相应平台之间移动时，将检测到的石墨烯基准样品键长信息和预设的石墨烯晶格结构标准信息进行对比，校正石墨烯基准样品键长信息的误差； 3)校正后的石墨烯基准样品键长信息根据步骤I)中的位移函数进行换算； 4)检测待测对象的位移信号； 5)对比步骤3)中换算的石墨烯基准样品键长信息和步骤4)中待测对象的位移信号，得到待测对象的检测装置检测结果的不确定度，实现待检测对象精度计量溯源。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于待测对象的移动长度与石墨烯基准样品的同步运动不确定度在亚纳米量级。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于通过所述的石墨烯基准样品键长信息，推算出待测量对像的测量长度。
全文摘要
本发明公开了一种以石墨烯键长作为计量基准的长度计量溯源方法，利用石墨烯键长作为长度计量溯源的基准，利用检测的石墨烯键长数量对待检测对象进行长度计量及溯源，实现亚纳米级精度的长度计量溯源。将待检测对象与石墨烯基准样品承载台进行超精密同步运动控制联接，通过扫描的石墨烯键长数量表征石墨烯基准样品承载台的运动长度，实时检测石墨烯基准样品承载台运动，从而获得待检测对象亚纳米级精度的长度计量，实现亚纳米级精度的长度计量溯源；该方法利用石墨烯晶格作为长度计量溯源的基准，具有稳定性高、计量精度可达亚纳米级、简单可靠等特点，在超精密计量溯源领域具有广泛的应用前景。
文档编号G01B15/00GK102889866SQ20121037135
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者刘红忠, 蒋维涛, 姜维, 丁玉成, 卢秉恒 申请人:西安交通大学