納米級位移測量技術值得信賴「善測」

　測量大型物體的小運動是比較容易的，但是當移動部件的尺寸為納米級時，難度就會加大。精準測量微觀物體的微小位移的能力，可用于檢測微量的危險生物或化學試劑，完善微型機器人的運動，精準部署氣囊，以及檢測通過薄膜傳播的極弱聲波。

研究人員測量了一個黃金納米顆粒的亞原子級運動。他們在這個黃金納米顆粒和一個金片之間設計了一個寬約15納米的小氣隙來進行測量。這個間隙非常小，因此激光無法貫穿其中。

然而，光能表面等離子體激元，即電子組的集體波狀運動，被限制在沿著這個黃金表面和空氣之間的邊界行進。

研究人員利用了光的波長，即光波的連續(xù)峰之間的距離。只要選擇恰當的波長，或者說頻率，激光就可以使特定頻率的等離子體激元沿著間隙來回振動或起振，如同撥動吉他弦產生的混響。同時，當納米顆粒移動時，它會改變間隙的寬度，并且還會像調諧吉他弦一樣，改變等離子體激發(fā)共振的頻率。電容式傳感器ZNX實際的基本包括了一個接收qiTx與一個發(fā)射qiRx，其分別都具有在印刷電路板(PCB)層上成形的金屬走線。

根據等離子體激元裝置反射的激光的量，就可以得到間隙的寬度和納米顆粒的運動。假設間隙由于納米顆粒的運動而改變，使得等離子體激元的固有頻率或諧振更接近于激光的頻率。在這種情況下，等離子體激元能夠從激光吸收更多的能量，并且反射較少的光。

為了在實用設備中使用這種運動感測技術，將黃金納米顆粒嵌入微觀尺度的機械結構中，這是一種由氮化硅制成的類似微型跳臺的振動懸臂梁，只有幾微米長。即使它們沒有運動，這種裝置也不會完全靜止，而是以高頻振動，在室溫下隨著分子的運動而推擠。即使振動的振幅很微小，僅移動了亞原子級距離，使用這種新的等離子體激元技術也很容易檢測到。同理，通常都采用較大的機械結構進行科學測量并用作實際的傳感器；，在汽車和智能手機中探測運動和方位。NIST科學家希望他們這種納米級測量運動的新方法將有助于進一步小型化許多這樣的微機械系統(tǒng)，并提高其性能。伺服傳動、驅動系統(tǒng)需消除一切非線性因數，特別是具有非線性特性的運動機構摩擦等效應。

將細胞、蛋白質、病原體、病毒、DNA等用納米級的磁性小顆粒來標記，也就是磁化這些被探測的對象，再用高靈敏度的GMR磁阻傳感器來探測它們的具體位置。這種應用方式在醫(yī)學及臨床分析、DNA分析、環(huán)境污染監(jiān)測有非常重要意義。

基于TMR效應的自旋閥生物磁傳感器與傳統(tǒng)電化學分析、壓電晶體檢測方法相比具有精度高、體積小的優(yōu)勢，主要用于病變部位的非接觸式探測、室溫心磁圖檢測、生物分子識別分析等。

磁性傳感器還可用于準備樣本的簡單離心機，它用來幫助控制小型電機，使其變得更加安靜和可靠。在助聽器領域，應用了巨磁阻傳感器IC (GMR)與霍爾。

多軸聯動數控系統(tǒng) 的精度主要從單個伺服 軸的運動控制精度和聯 動軸耦合輪廓精度 2 方 面來評價。對于單個伺服軸的運動 控制，當要求的運動精度達到納米級 時，傳統(tǒng)的超精密機床傳動方式在 低速、微動狀態(tài)下表現出強非線性特 性，常規(guī)的運動控制策略已經很難保 證伺服系統(tǒng)實現理想的納米級隨動 精度。由于作為確定位置的活動磁環(huán)和敏感元件并無直接接觸，因此傳感器可應用在極惡劣的工業(yè)環(huán)境中，不易受油漬、溶液、塵埃或其它污染的影響，IP防護等級在IP67以上。

此外，多軸聯動系統(tǒng)的輪廓誤差 由各伺服軸的運動誤差耦合得到， 耦 合誤差的建模及各軸相應的補償控制量的計算都需要大量的齊次坐標 變換運算，這為實際的多軸聯動耦合 控制器的設計帶來了很大的不便。 智能控制理論與方法將可能為此問 題提供理想的解決方法。此外，要實 現多軸聯動納米級輪廓控制精度， 還 有一個不可忽視的問題，即聯動軸的 同步問題。同步精度的高低直接影 響到系統(tǒng)的輪廓跟蹤精度。嚴格意 義上的多軸伺服系統(tǒng)同步涉及到復 雜的數控和伺服系統(tǒng)接口規(guī)范的制 定?？茖W院科技戰(zhàn)略咨詢研究院與國家納米科學中心聯合發(fā)布《納米研究前沿分析報告》。目前，在可以實現亞微米級加工 的高ji多軸聯動超精密數控機床研 制方面，我國尚未取得突破性進展。 至于可實現大型復雜曲面，特別是自 由曲面的納米級超精密加工的五軸 聯動機床，至今仍是一個世界上尚未 解決的難題。