技術(shù)文章
沒(méi)有尼龍制品，就沒(méi)有科學(xué)
國(guó)力競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵是科技水平，沒(méi)有尼龍制品，就沒(méi)有科學(xué)，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距也主要是科技上的差距。我國(guó)已將科技興國(guó)作為我國(guó)的基本方針，而測(cè)試技術(shù)是科學(xué)發(fā)展必不可少的手段。偉大的化學(xué)家、計(jì)量學(xué)家門(mén)德列耶夫說(shuō)過(guò)：“科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的，沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有科學(xué)，至少是沒(méi)有**的科學(xué)、真正的科學(xué)”。我國(guó)“兩彈一星”元?jiǎng)淄醮箸裨菏恳舱f(shuō)過(guò)：“儀器是認(rèn)識(shí)世界的工具；科學(xué)是用斗量禾的學(xué)問(wèn)。用斗去量禾就對(duì)事物有了深入的了解、**的了解，就形成科學(xué)”。
科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的發(fā)明是從對(duì)事物的觀察開(kāi)始的。對(duì)事物的精細(xì)觀察就要借助于儀器，就要測(cè)試，特別是在自然科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域更是如此。在對(duì)事物的觀察、測(cè)試基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)分析推導(dǎo)，形成認(rèn)識(shí)。到這一階段還只能是假說(shuō)、學(xué)說(shuō)。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的**標(biāo)準(zhǔn)，只有在經(jīng)過(guò)測(cè)試和考核，才能真正形成科學(xué)，所以說(shuō)在科學(xué)發(fā)展的哪一階段都離不開(kāi)測(cè)試。國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，儀器儀表和測(cè)試是"新技術(shù)**"的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。
縱觀科學(xué)發(fā)展史和科技發(fā)明史，許多重大發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是從儀器儀表和測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步開(kāi)始。從20世紀(jì)初到現(xiàn)在，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給儀器發(fā)明、發(fā)展與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目達(dá)27項(xiàng)之多。眾所周知，沒(méi)有哈勃望遠(yuǎn)鏡就難以進(jìn)行天體科學(xué)的研究，天體科學(xué)上的許多重大發(fā)現(xiàn)都是依靠哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)而得到的。掃描隧道顯微鏡的發(fā)明對(duì)納米科技的興起和發(fā)展可以說(shuō)起到?jīng)Q定性作用。
蘋(píng)果落在牛頓的腦袋上，啟發(fā)了牛頓的靈感。沒(méi)有尼龍制品，就沒(méi)有科學(xué)，但真正導(dǎo)致萬(wàn)有引力的發(fā)現(xiàn)還是星球的運(yùn)動(dòng)。按照牛頓**定律，在沒(méi)有外力作用下，月亮應(yīng)該做等速直線運(yùn)動(dòng)，為什么月亮不飛出去，而是繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)？這是困惑牛頓的一個(gè)問(wèn)題。只有在有向心力作用的情況下，月亮才會(huì)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。蘋(píng)果落在牛頓的頭上，啟發(fā)牛頓意識(shí)到一定是地球?qū)υ铝劣幸粋€(gè)引力。牛頓根據(jù)他假設(shè)的萬(wàn)有引力公式和向心力的公式進(jìn)行了計(jì)算，由于當(dāng)時(shí)測(cè)量技術(shù)的限制，牛頓沒(méi)有獲得正確的答案。牛頓是一個(gè)科學(xué)家，沒(méi)有得到實(shí)踐證明的東西，還不是科學(xué)，他沒(méi)有發(fā)表。只有在他故去之后，由于測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步，在測(cè)得了地球與月亮的較**的距離和地球的質(zhì)量的情況下，萬(wàn)有引力學(xué)說(shuō)才得到了證實(shí)，是他的學(xué)**表了牛頓論文，使牛頓萬(wàn)有引力成為科學(xué)。測(cè)試在將“學(xué)說(shuō)”發(fā)展為科學(xué)中往往起著關(guān)鍵作用。
1.3 測(cè)試在信息科技中的地位
當(dāng)今時(shí)代是信息時(shí)代。信息科技包括信息的獲取、處理、傳輸、存儲(chǔ)、執(zhí)行。測(cè)試是科技、生產(chǎn)領(lǐng)域獲取信息的主要手段，在這個(gè)信息流中處于源頭位置，所以從一定意義上說(shuō)，沒(méi)有測(cè)試，信息科技就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。處于源頭的信息是*微弱、*容易受到干擾的。信息的準(zhǔn)確性首先取決于源頭信息，取決于測(cè)試。為了提高所獲取信息的準(zhǔn)確性，現(xiàn)代的測(cè)試系統(tǒng)往往還包括信息的預(yù)處理、預(yù)存儲(chǔ)、傳輸和控制，把從信息的獲取到控制作為一個(gè)整體來(lái)對(duì)待。
談到信息科技，人們往往首先想到的是計(jì)算機(jī)。沒(méi)有尼龍制品，就沒(méi)有科學(xué)，信息時(shí)代的主要標(biāo)志是高性能的電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用。確實(shí)，高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展將信息處理和存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展到**高度，使信息流在推動(dòng)科技和生產(chǎn)的作用發(fā)生了**性的變化。需要指出的是，計(jì)算機(jī)的發(fā)展也離不開(kāi)制造技術(shù)和測(cè)試技術(shù)。
計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)首先是它的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量，這些都取決于在一塊芯片上能集成多少個(gè)晶體管，后者又取決于大規(guī)模集成電路的線條能做得多細(xì)。目前，大規(guī)模集成電路的線寬已做到0.1μm左右，進(jìn)一步的發(fā)展要求將線條做到納米級(jí)。知名的摩爾定理說(shuō)芯片上開(kāi)關(guān)器件的密度每18個(gè)月翻一番，其實(shí)這是在N Taniguchi于1974年提出的制造誤差按指數(shù)曲線下降的預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上得出的。正是精密工程按N. Taniguchi預(yù)測(cè)的曲線發(fā)展，保證了計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展，保證了摩爾定理的兌現(xiàn)。
一度困擾大規(guī)模集成電路發(fā)展的是芯片引腳數(shù)目的限制，正是機(jī)械工業(yè)提供的端面安裝技術(shù)、測(cè)試技術(shù)提供的端點(diǎn)球形與平面性的準(zhǔn)確測(cè)量，使大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)了引腳數(shù)目的突破。
1999年，筆者在美國(guó)完成了一項(xiàng)光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和光刻機(jī)誤差補(bǔ)償誤差的研究工作。該研究利用一塊標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格板，通過(guò)網(wǎng)格板的翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)，可以確定光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和光刻機(jī)誤差的各項(xiàng)誤差，并對(duì)它們進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過(guò)誤差補(bǔ)償可使光刻機(jī)的誤差減小一半，從而使集成電路的密集度增至4倍。從這一成果也可以清楚地看到測(cè)試技術(shù)在促進(jìn)計(jì)算機(jī)發(fā)展中的作用。
1.4 國(guó)防和高科技的發(fā)展離不開(kāi)測(cè)試
現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)是信息戰(zhàn)。無(wú)論是在科索沃，還是伊拉克，美國(guó)使用的主要武器都是激光制導(dǎo)武器。在現(xiàn)代的戰(zhàn)爭(zhēng)中，儀器儀表的測(cè)量控制精度決定了武器系統(tǒng)的打擊精度。儀器儀表的測(cè)試速度、診斷能力決定了武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力。無(wú)論在伊拉克，還是在巴勒斯坦，美國(guó)和以色列常常采用定點(diǎn)殺傷。所謂定點(diǎn)殺傷就是根據(jù)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行瞄準(zhǔn)、發(fā)射和跟蹤。
美國(guó)還在發(fā)展一種稱(chēng)為反導(dǎo)彈的戰(zhàn)略計(jì)劃，它的基本思想就是**、快速探測(cè)對(duì)方發(fā)射的導(dǎo)彈，并在此基礎(chǔ)上發(fā)射自己的火箭進(jìn)行攔截。測(cè)試是這一戰(zhàn)略思想的技術(shù)基礎(chǔ)。
一部現(xiàn)代的汽車(chē)有五、六十個(gè)傳感器，飛機(jī)、火箭、宇宙飛船上何止幾百、幾千個(gè)傳感器。一架飛機(jī)、火箭、宇宙飛船從它的加工到裝配一步也離不開(kāi)檢測(cè)，飛機(jī)、火箭、宇宙飛船的加工和裝配精度是人命關(guān)天的。火箭在現(xiàn)場(chǎng)安裝、準(zhǔn)備發(fā)射都離不開(kāi)檢測(cè)。俗話說(shuō)，差之毫厘，失之千里，這是一種形容；而今火箭、宇宙飛船的發(fā)射差之毫厘，失之又何止千里？
在發(fā)射場(chǎng)上**找正并發(fā)射后，由于大氣和其它天體、氣象等因素的影響，火箭、飛船還可能偏離預(yù)定的軌道。需要不斷地檢測(cè)航行的軌跡，進(jìn)行校正。不僅要按測(cè)量結(jié)果校正航行軌跡，還要按測(cè)得的加速度控制燃料和氣體的排放，以保證飛行軌道的準(zhǔn)確，而對(duì)所有這些檢測(cè)的精度和速度響應(yīng)的要**極高的。
國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃指出，運(yùn)載火箭的試制費(fèi)一半用于儀器儀表，由此可見(jiàn)測(cè)試技術(shù)在發(fā)展航天、航空、國(guó)防等高科技中的作用。
我國(guó)已經(jīng)成功地發(fā)射了5艘宇宙飛船，還將實(shí)現(xiàn)嫦娥登月計(jì)劃。除了第五艘飛船是載人的以外，其它4艘的主要任務(wù)就是收集數(shù)據(jù)，為載人航天飛行做好準(zhǔn)備。只有有了充分的數(shù)據(jù)，弄清宇宙飛行的規(guī)律，才能保證飛行的**，達(dá)到探索宇宙空間的奧秘，為人類(lèi)服務(wù)的目的。在宇宙飛船上和在空間站上需進(jìn)行多種多樣的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，要通過(guò)測(cè)試獲得所需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
應(yīng)當(dāng)說(shuō)今后的載人宇宙飛行、登月計(jì)劃、到其它星球的探索，很重要的任務(wù)，甚至主要任務(wù)，還是在測(cè)試。只有通過(guò)測(cè)試，才能了解宇宙，開(kāi)發(fā)宇宙。以宇宙飛行為例，它不僅包括宇宙飛船，還包括許許多多地面觀測(cè)站、測(cè)控船。可以推測(cè)，在宇宙飛行實(shí)施中，花在儀器儀表和各種觀測(cè)站的費(fèi)用不會(huì)小于一半。
核武器和核工業(yè)的發(fā)展同樣離不開(kāi)測(cè)試。核聚變與核裂變相比，不僅具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率、能釋放更巨大的能量，而且是更清潔的能源，這對(duì)核工業(yè)是十分重要的。目前世界上只有美、俄、中等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家掌握核聚變技術(shù)。利用飛秒激光脈沖激勵(lì)、泵浦核聚變反應(yīng)是國(guó)際上十分引人注目的一個(gè)研究方向，因?yàn)轱w秒激光脈沖具有非常高的瞬時(shí)功率。為了獲得高的激勵(lì)功率和激勵(lì)效率，需要將幾十路飛秒激光束同時(shí)**瞄準(zhǔn)一個(gè)直徑僅為幾百微米的空心靶球的球心，這是一個(gè)要求很高的幾何量測(cè)試問(wèn)題。當(dāng)然在整個(gè)核反應(yīng)過(guò)程中還有更多其它重要的測(cè)試問(wèn)題。
在談?wù)摦?dāng)今時(shí)代的高科技時(shí)，不能不提及納米科技和微機(jī)電系統(tǒng)。宇宙飛行往大的方向探索宇宙空間的奧秘，而納米科技和微機(jī)電系統(tǒng)則向小的方向，包括分子、原子領(lǐng)域探索世界的奧秘。
在納米量級(jí)已是對(duì)單個(gè)或少量分子、原子進(jìn)行操作。納米結(jié)構(gòu)的物質(zhì)表現(xiàn)了很多的獨(dú)特性能。這些性能在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域有重要應(yīng)用。例如，納米結(jié)構(gòu)的材料在硬度、密度、強(qiáng)度、延展性、導(dǎo)熱性、磁耦合、催化能力、吸附選擇性以及電學(xué)和光學(xué)性能均有很大增進(jìn)。例如納米碳管的抗拉強(qiáng)度比鋼高20倍，而強(qiáng)度質(zhì)量比為鋼的50多倍。將這些材料用在航空、航天上，用在人體上顯示出十分巨大的優(yōu)越性。納米粒子、納米薄膜也顯示了其許多獨(dú)特性能，納米科技正在帶動(dòng)一場(chǎng)新的科技**。
納米是一個(gè)尺寸量度，只有能觀測(cè)到它，才能研究它、應(yīng)用它。從一定意義上說(shuō)，沒(méi)有尼龍制品，就沒(méi)有科學(xué)，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，對(duì)納米科技的興起起著決定性作用。1986年獲得物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，標(biāo)志著納米科技成為一門(mén)科學(xué)。
中國(guó)科學(xué)院副院長(zhǎng)、我國(guó)知名納米專(zhuān)家白春禮指出：目前科技界普遍公認(rèn)的納米科技的定義是，在納米尺度（1～100nm）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。納米科技包括三個(gè)研究領(lǐng)域：納米材料、納米器件、納米尺度的檢測(cè)與表征。我們必須要對(duì)納米器件的研制和納米尺度的檢測(cè)與表征的研究工作給予重點(diǎn)支持。
同樣，國(guó)際上一些有識(shí)之士也充分意識(shí)到測(cè)試技術(shù)在發(fā)展納米科技中的重要性。歐、美、中、日等國(guó)一些**專(zhuān)家已先后在歐洲、美國(guó)、中國(guó)(2004年5月17～19日于北京)**，論證測(cè)試在納米科技中不可或缺的作用，形成了“The need for measurement and testing in nanotechnology”的正式文件，向歐洲共同體以及各國(guó)政府報(bào)告，以引起各國(guó)政府對(duì)納米檢測(cè)的充分重視并給予物質(zhì)支持。
微機(jī)電系統(tǒng)是近年來(lái)又一飛速發(fā)展的領(lǐng)域。全世界微機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)總值在1996年是144億歐元，而2002年已增至約380億歐元，這兩年又以每年百分之幾十的速率增長(zhǎng)。
微機(jī)電系統(tǒng)的意義是顯而易見(jiàn)的。前面談到，航天飛行器的一個(gè)首要任務(wù)就是進(jìn)行各種測(cè)試。飛行器上搭載的測(cè)試設(shè)備重一公斤，整個(gè)發(fā)射和運(yùn)行中增加的能源和資金消耗是十分可觀的。在飛機(jī)、導(dǎo)彈等武器中情況也是這樣，必須要求測(cè)試設(shè)備微型化。
生命科學(xué)研究是微機(jī)電系統(tǒng)又一重要應(yīng)用領(lǐng)域。進(jìn)行生命科學(xué)和生物技術(shù)的研究，需要將各種微型傳感器和執(zhí)行器植入人體或生物體內(nèi)部，探索人體與生物的奧秘。人體的**與骨骼、神經(jīng)和關(guān)節(jié)等的康復(fù)、無(wú)損傷的外科手術(shù)、藥品的準(zhǔn)確輸送、心臟**的準(zhǔn)確診斷、人工器官的植入、生物品種的改良等也需要各種微型器械。
微機(jī)電系統(tǒng)在信息技術(shù)和智能系統(tǒng)中應(yīng)用前景非常廣闊。前面談到的嵌入砂輪內(nèi)部的傳感器，在智能衣服中能自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的傳感與控制器等都必須做得非常小，只能用微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。
微機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)計(jì)、工藝、封裝和檢測(cè)。開(kāi)始人們只重視設(shè)計(jì)和工藝，而忽略了封裝和檢測(cè)。在微觀范疇中，物體、材料的許多物理、力學(xué)等性能都是與宏觀世界不一樣的。許多常用的工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在微機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中都不能應(yīng)用，必須通過(guò)測(cè)試來(lái)獲取適合于微機(jī)電系統(tǒng)的新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。為了獲得符合性能要求的微機(jī)電器件，必須對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)的工藝過(guò)程和成品進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試技術(shù)已經(jīng)成為發(fā)展微機(jī)電系統(tǒng)的一個(gè)瓶頸因素。
