曾几何时，万分之几英寸就被认为是高精度了，而如今，人们对精度的要求已经达到了亚微米量级。

40年以前，在数控机床的年代，标准的机械容差是千分之几英寸，随后，万分之几英寸才能算作高精度，今天，先进的自动机床的容差可以低于1微米，那可是0.00004英寸。

当尺度降低到几分之一微米或者更小，我们就来到了纳米技术的世界——这个世界里的物体只有几百纳米或者更小。在这个世界里，规则大不一样。传统的测量技术在物理上变得不可实现，靠精密滚珠丝杠实现测量的设备已经力不从心了。

人类无法对纳米尺度有直观的感觉，纳米世界与我们的宏观世界相差甚远。一些已浸淫在纳米世界中达数十年的科学家，为我们如此描述纳米世界与宏观世界的相对尺寸：

■ 10个氢原子几乎精确地等于1nm。

■ 绿色光的波长约等于350nm。

■ 病毒（或者应该用复数）尺寸从几十纳米到数百纳米不等。

■ DNA分子宽度是2.2到2.6nm。

■ 然而一条完整的DNA的长度几乎肉眼可见，达到73000000nm，或者约为0.075mm。

■ 最新微处理器内的最细微结构的宽度为45nm。

■ 如果1微米被放大到这本杂志展开的宽度，那么1纳米就有1/32英寸。

在1微米以下尺度，应用技术的变化很显著。反馈设备的极限很容易就达到了，因为电机无法完成如此精细的动作。越来越多的工程师，不得不考虑这种境况，因为确实有某些应用需要在1/10纳米尺度进行定位。

在那种尺度下工作涉及到的问题包括：缓慢工作，每秒纳米级的移动。做个参照的话，这种移动比头发的生长还要缓慢。这种精度要求不同等级的控制能力和反馈设备。当如此缓慢地移动的时候，每个细微移动的数据量都很少，所以你必须能够根据很少的数据量完成线性运动。

蓝-绿光具有500nm的波长。如果这个波长被放大到这本杂志平摊开那么长，那么1nm就近似于1/32英寸那么长了。

古老的成就，全新的技术

尽管近期对“纳米技术”的宣传铺天盖地，然而最古老的纳米技术其实是纳米材料的制备。例如，16000年前，法国西南部Lascaux远古人类绘制的色彩精美的石洞壁画，所使用的就是精细研磨至纳米尺寸的金属氧化物颜料。

人类祖先在16000年以前使用研磨至纳米尺度的氧化物粉末绘制精美的作品。

1981年，IBM苏黎世的研究员Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM ），1986年，Binnig、Calvin Quate和Christoph Gerber又一起发明了原子力显微镜（AFM），至此，纳米定位才开始在实际应用中获得重视。

这些设备实际上利用了逆压电效应，当被施加静电电势时，结晶材料的外形和尺寸会发生变化。逆压电效应可以以两种方式来产生纳米尺度运动：

■ 直接运动，由静电材料制作成的结构直接推动目标，产生运动。

■ 压电电机，也叫做超声波电机，在超声波频率下充电的一定数量的微结晶交替伸缩，产生运动，就像毛毛虫的腿一样。

逆压电效应的效果实际上很微弱，要使厚度为10mm的一片锆钛酸铅（PZT，最常用的压电材料）厚度改变100nm，需要2670V的电势。

实际的直接运动压电执行器需要堆砌很多元件。它使用100片已经充电的0.1mm的薄片，而不是一片，这些薄片平行堆砌，将电压降低100倍，达到27V。

直接运动执行器受限于很小的总运动距离，大约为100nm，但是它却可以获得很高的精度。对上面提到的100片的执行器，使施加电压改变2.67V，可以改变厚度10nm。

值得注意的是这种压电执行器可以提供高达1000磅的力和高达1000个g的加速度。

压电电机解决了受限运动和系统解析度之间的平衡问题，它们可以做线性运动也可以作回转运动。

线性版本的执行器最容易理解。想象一下2个平行的静止机构，中间是可以自由移动的柱塞。一排“足”与一个静止机构相连，并延伸到2个静止机构之间的空间，与柱塞接触。另一个静止机构也有一排“足”，与柱塞的另一侧相连。每一排“足”都有偶数个。

每个足有两部分组成：纵向的“腿”的长度可以随施加电压变化而变化，前端是剪切运动的“脚”，当施加电压时可以向一边或者另一边扭转。“足”借此将柱塞向指定的方向以纳米步距推动。通过较高频率地重复这种步伐，就可以快速地将柱塞移向两边，无区间限制，同时具有纳米精度。

回转压电电机的制作方法类似。回转单元不是将足线形排列在直柱塞的两侧，而是将足分布于环形定子内，与转轴接触。

基于逆压电效应的线性电机具有多组与静止机构连接的“足”，这些“足”驱动柱塞进行纳米尺度的步进。

反馈控制

在这种定位精度下，电机和机械台的作用就很重要了。为满足装配公差要求，机械台制造商必须具备如下能力：线性度、共振去耦和机械润滑。诸如接头、相失衡和其他非线性表现都会降低电机性能。电子噪声和总线电压干扰会带来更大的误差，温度和摩擦也会对运动系统造成不利影响。需要指出的是，这些参数的波动会改变机械特性，并会给定位控制系统形成干扰。

压电电机的问题在于它们与传统电机的表现大相径庭。非线性影响的克服要求运动控制器具有高带宽、巨大的处理能力和极大的灵活性，以便于应用专门的纳米定位控制算法。

然而，普通加工的回转频率是1-4kHz，而纳米尺度运动的回转频率需要超过32kHz。电机控制需要高带宽来保证稳定性，电机的极缓慢运动需要预估控制来获得。

数控机床能够在纳米尺度精确加工零件。

纳米定位台移动并定位宏观目标，用于加工、检测和其他生产工艺。

为了获得纳米精度，位置传感器也必须达到这一精度。有一系列的位置传感技术可以使用，包括：电容、电磁、线性电压位移变送器（LVDTs）和光学编码器。激光干涉仪反馈设备也可以用于反馈，特别是对于光量子应用和空间适用系统。本文中，我们将集中探讨电容技术和光学技术。

电容传感器利用平行放置间距很小的两张平板之间电容的变化来完成位置检测。因为这种结构的电容变化与平板间距成反比，所以在较小区间内测量纳米尺度的位移并不困难。

通常，电容器是用来改变晶控振荡器的输出频率的，而且现代的频率测量电路已经具备很高精度。随着平板间距的改变，振荡器在10-11MHz区间内变化，如果平板间距变化1mm，频率测量设备就可以检测到1Hz的频率变化，系统可以确保1nm/Hz的敏感度，所以系统总解析度是1nm。

光学编码器可以制作到约为几百纳米的尺度。为了获得更高的解析度，需要以极高的精度在基准位之间进行插值，假设基准位间隔为500nm，插值因子为1000，那么解析度就是0.5nm。

纳米定位的应用

纳米定位系统不仅仅可应用于数据存储、半导体、微电子、高精加工、生命科学、药学、光学、光子学和纳米计量学等领域，更为它们提供了几乎无限的发展可能。

半导体工业中几十纳米的尺寸已经成为集成芯片的关键尺寸。今天，当你拿起iPhone或者iPod，32nm就是晶体管门的长度，半导体工业发展的下一步就是18nm。

硅片检测中，需要对小于1微米的瑕疵进行检测，以低于1微米的像素尺寸成像要求具有纳米尺度的定位，以确保恒定速度。像素总数越多，速度就越稳定，图像呈现就越好。

随着硬盘驱动器工业向更高的密度发展，检测技术需要纳米尺度的解析度。硬盘驱动器生产厂商需要纳米尺度的定位，确保能精确地放置轨道。每英寸500000条轨道，则轨道间距仅为50nm。

在分子生物学领域，为了进行细胞研究和基因研究，必须能对细胞完成某些作业，这些作业都是10nm尺度的。新兴的化学工业应用包括通过放置原子来构造新型化学药剂，以及通过纳米定位技术来合成分子。

金刚石车床是非常高端的设备，用于将一些硬度很高的材料，例如玻璃和陶瓷，加工到纳米尺度的精度。在材料科学中，人们适用电子扫描显微镜一25nm左右的步距观察材料的纳米结构。光量子应用中，人们将激光或者透镜在纳米精度下排列，例如带宽滤波器。

这些应用都离不开电子自动控制，纳米尺度的测量是在温度一定的环境中完成的，为了创造这个环境，隔离人群是关键，因为人会产生热量，进而影响测量。

机床工业开始使用纳米尺度的CNC设备，用于高精度应用场合，例如空间适用机械装置以及用于测量的物理设备。但是，对于机床工业来说，纳米定位还是一个新兴事物。在伊利诺伊州Hoffman Estates附近的一次展览会上，美国所有的纳米数控机床设备也仅仅占用了一个宾馆大厅的空间。不过可以想见，在5到10年内，它一定会发展成一个非常不一样的产业。