德国精密制造：SmarAct高精度定位解决方案赋能亚纳米级精密位移测量

当半导体光刻工艺逼近物理极限、量子计算机的比特操控误差要求低于单个原子直径、生物医学研究需在细胞膜上实现分子级操作时，传统测量技术已难以满足需求。

德国SmarAct公司凭借其基于迈克尔逊干涉法和正弦相位调制干涉法的计量系统，将非接触式位移测量分辨率成功推进至皮米级别精度。

通过与全球顶尖实验室及工业巨头的合作验证，为超精密领域树立了新的技术标杆。

SmarAct的核心技术体系围绕三大光学方法构建，将理论极限转化为可量产的工业级解决方案：

1、迈克尔逊干涉测量法

迈克尔逊干涉测量法是一种使用光干涉进行高分辨率位移测量的光学技术。SmarAct基于这项技术，研发了迈克尔逊干涉仪，并由此生产了PICOSCALE系列测量产品。

• 传统问题：

无法从信号中提取运动方向；在零点和极值处的灵敏度不一致。

• SmarAct方案：

利用光源的电流调制，实现两个正交信号，具有恒定的灵敏度，且能够确定运动的方向。

2、正弦相位调制干涉测量

SmarAct对激光源应用正弦相位调制，来产生包含调制频率谐波的干涉信号，从而实现高级干涉测量。

这是通过交替半导体激光管的注入电流产生的，这导致发射波长λ的调制，可以表示为：λ=λ0+δλ·sin(ωt)。

其中λ0是载波波长，δλ是调制幅度，ω是角度调制频率。

施加时，干扰信号可以表示为：

I(t)=Sω·cos(ωt)+S2ω·sin(2ωt)+S3ω·cos(3ωt)+···,

以及：

• Sω(t)=J1[z(t)]·sin[α(t)]
• S2ω(t)=J2[z(t)]·cos[α(t)]
• S ω(t)=J3[z(t)]·sin[α(t)]

其中z(t)是取决于调制幅度δλ的调制深度，Jn是第n个第一类贝塞尔函数。

• 在频率n·ω，可以提取分量Snε{1,2,3,...}·ω。

3、用于选择性测量的共聚焦光学元件

共聚焦显微镜是一种先进的成像技术，能够显著提升光学分辨率和对比度，在样品的焦平面上形成一个微小且聚焦精准的探测光斑。

与此同时，在焦平面的共轭位置设置有针孔光阑，可以选择性地阻挡离焦光线，过滤除目标平面以外的其他光信号。

SmarAct计量部门专注于研发并提供尖端产品组合，涵盖高精度干涉仪、测振仪、光学编码器及纳米级精度的电探测系统，所有产品均针对严苛的测量挑战进行深度优化设计，并提供标准解决方案与OEM解决方案，为高级研究和工业应用领域的创新提供强大动力。

1、基于迈克尔逊干涉测量法的PLCOSCALE系列产品

所有PICOSCALE产品均基于迈克尔逊干涉测量法，并加以改进，可实现皮米级别的精度测量。

• PICOSCALE干涉仪：高精度的无接触位移测量

PICOSCALE干涉仪是测量技术的基石，可进行非接触式位移测量，在不影响目标反射率的情况下确保效率。

其传感器头不仅可以轻松匹配多种应用场景，包括但不限于角度或差分测量，还能适应各种极端环境，例如真空、低温环境等，外形紧凑的同时，无缝适应任何设置。

1. 一台仪器可集成三个并列干涉仪，用于三维测量
2. 测量带宽高达2.5MHz（采样率为10MHz），分辨率高达1pm
3. 可测量大多数材料（塑料、玻璃、金属，甚至水）
4. 提供多种传感器头，灵活匹配不同的应用和环境（包括真空和低温环境）
5. 可通过选配模块扩展为完整的实验室测量和控制仪器
6. 性能稳定，质量可靠

• PCOSCALE测振仪：用于高级模态分析的高分辨率解决方案

PICOSCALE测振仪是针对微机械结构振动测量的一体化解决方案，可精准测量尺寸从几微米至几厘米的微结构振动特性。

其典型应用涵盖MEMS器件、传感器、微型扬声器，以及轴承和执行器的性能测试。

由于搭载了集成显微镜系统，PICOSCALE测振仪支持高达100万像素的测量分辨率，能够以优越的空间与时间精度实现振动模式的可视化分析，为微米尺度振动研究提供高效助力。

1. 非接触式光测量
2. 扫描激光干涉仪，用于测量面外运动（沿激光束方向）
3. 测量带宽高达2.5Hz（采样率10MHz），分辨率低于1pm
4. 集成红外共焦显微镜，光学分辨率高达2μm
5. 封装MEMS模态分析
6. 面内运动（垂直于激光束方向）频闪成像
7. 配备振动台的交钥匙仪器

2、METIRIO光学编码器：同类产品中最小的编码器

METIRIO光学编码器是一款专为闭环纳米定位设计和制造的高精度光学编码器，可实现极致的小型化，并达到高分辨率、高精度和高带宽。

METIRIO光学编码器突破了传统光学编码器的使用限制，满足对超高真空（UHV）兼容性、亚纳米精度、低功耗和最小尺寸的所有需求，被广泛用于半导体和生命科学等行业的高精度计量应用。

1. 紧凑尺寸：6.6x5.1x1.7mm
2. 高分辨率：0.4nm@20mm/s
3. 定位速度：高达10m/s
4. 超高真空兼容性，低至10-11mbar
5. 工作温度范围：0°C–80°C
6. 适用于机械振动等恶劣环境
7. 兼容各种20μm间距的反射式栅尺

3、SMARPROBE运动系统：精准实现的纳米级电探测

SMARPROBE运动系统由多达八个机械臂组成，每个机械臂都集成了探针支架和一个附加样品台。

基于最新的SmarAct定位技术，SMARPROBE运动系统采用闭环控制，可在25x25毫米的样品区域上实现1纳米精度的定位保持。

值得注意的是，SMARPROBE的纳米探针具有主动控温功能，可使多个探针尖端维持热量稳定，在目标点（例如5纳米技术节点的单个晶体管）实现稳定的电接触。

1. 全编码，分辨率达1nm
2. 主动位置保持
3. 大扫描范围，低热漂移
4. 30x30mm全尺寸大面积探测
5. 高速EBAC/EBIC成像

• 使用METIRIO编码器，进行纳米级划痕的精确深度控制

在纳米划痕实验中，SmarAct的METIRIO编码器以1nm动态分辨率实时监测四自由度压电平台，精准控制金刚石工具完成复杂图案加工。

• 与Fraunhofer光子微系统研究所合作，测量全硅扬声器内的横向振动

当MEM封装在硅外壳中时，无法用传统的光学方法评估它们的动态性能。除了对面外振动进行干涉测量外，PICOSCALE测振仪还可使用红外共聚焦显微镜对封装器件的面内振动进行成像。

在尖端科技竞速的当下，SmarAct在纳米尺度勾勒出精密测量的新图景。

其技术突破不仅为半导体制程突破物理极限、量子比特操控实现原子级精准、生物分子操作跨越尺度鸿沟提供了”标尺“，更以模块化产品矩阵和全场景适配能力，架起实验室创新与工业量产的桥梁。