譚久彬院士：超精密測(cè)量與儀器技術(shù)是高端制造發(fā)展的前提與基礎(chǔ)

3月5日，總書(shū)記指出“任何時(shí)候中國(guó)都不能缺少制造業(yè)”，測(cè)量的精確性影響著制造工業(yè)的發(fā)展?！都す馀c光電子學(xué)進(jìn)展》聚焦國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大科學(xué)儀器項(xiàng)目，為反映超精密測(cè)量領(lǐng)域研究進(jìn)展，推出“超精密測(cè)量技術(shù)”專(zhuān)題。并特邀譚久彬院士為專(zhuān)題撰寫(xiě)導(dǎo)言，總領(lǐng)和概括超精密測(cè)量的研究進(jìn)展和方向。

文章鏈接：譚久彬. 超精密測(cè)量技術(shù)與儀器是高端制造發(fā)展的前提與基礎(chǔ)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2023, 60(3): 0312001

“現(xiàn)代熱力學(xué)之父”開(kāi)爾文有一條著名結(jié)論：“只有測(cè)量出來(lái)，才能制造出來(lái)。” 精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展不斷促進(jìn)著工業(yè)制造的換代升級(jí)。在當(dāng)代科技和工業(yè)領(lǐng)域，高水平的精密測(cè)量技術(shù)和精密儀器制造能力，反映了一個(gè)國(guó)家科學(xué)研究和整體工業(yè)領(lǐng)先程度，更是發(fā)展高端制造業(yè)的必備條件。隨著精密測(cè)量技術(shù)不斷進(jìn)步，其在科學(xué)研究、工程科技、現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

精密測(cè)量技術(shù)促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展

精密測(cè)量是一個(gè)泛指的、大的范疇。凡是準(zhǔn)確度很高的各類(lèi)測(cè)量，都可稱(chēng)之為精密測(cè)量。在精密和超精密工程領(lǐng)域，精密測(cè)量有具體的數(shù)量級(jí)概念：精密測(cè)量是指測(cè)量準(zhǔn)確度在1 μm~0. 1 μm 量級(jí)的測(cè)量，超精密測(cè)量是指測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于100 nm，如10 nm、1 nm，甚至pm（千分之一納米）量級(jí)的測(cè)量。

精密測(cè)量興起于工業(yè)大生產(chǎn)。規(guī)?；笊a(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)的重要特征，產(chǎn)業(yè)分工與專(zhuān)業(yè)化配套越來(lái)越細(xì)化、越來(lái)越精密，地域分布越來(lái)越廣、產(chǎn)業(yè)鏈遍布全世界。也就是說(shuō)，一個(gè)產(chǎn)品由成百上千甚至成千上萬(wàn)個(gè)零部件組成，這些零部件不可能由一個(gè)廠家生產(chǎn)，需要遍布各地的很多個(gè)優(yōu)勢(shì)生產(chǎn)廠家合作完成。比如一部智能手機(jī)，有1600 多個(gè)零件和元器件，由分布在世界上11 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的150 多家工廠提供。這帶來(lái)一系列好處：大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量高、成本低。但技術(shù)層面存在一個(gè)大問(wèn)題——把如此多的零件、元器件集成到一起時(shí)，其中任何之一的尺寸精度或其他技術(shù)指標(biāo)不合格，就無(wú)法高精度、高效率地把它們集成到一起，即便勉強(qiáng)集成到一起，產(chǎn)品質(zhì)量也可能不合格。

為了解決這類(lèi)問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際計(jì)量局（BIPM）制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對(duì)產(chǎn)品的每一個(gè)零件和元器件的所有技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量，以保證成千上萬(wàn)的同一種零件或元器件都具有互換性。通俗地說(shuō)，就是用到哪一個(gè)零部件都是合格的。這需要一個(gè)前提為保障：發(fā)生在世界各地的千千萬(wàn)萬(wàn)次測(cè)量都是準(zhǔn)確無(wú)誤的。怎么才能保證準(zhǔn)確無(wú)誤？BIPM 用一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞給每一臺(tái)測(cè)量?jī)x器，以保證這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量值在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確一致，進(jìn)而保證所有的測(cè)量?jī)x器都是精準(zhǔn)的，所有的測(cè)量數(shù)據(jù)都是精準(zhǔn)的。從那時(shí)起，精密測(cè)量已成為促進(jìn)科技發(fā)展的重要新興學(xué)科。

超精密測(cè)量技術(shù)是引領(lǐng)現(xiàn)代工業(yè)向高端發(fā)展的火車(chē)頭

對(duì)一個(gè)國(guó)家而言，精密測(cè)量與裝備制造業(yè)緊密相關(guān)。裝備制造業(yè)向中高端跨越的關(guān)鍵是提升制造質(zhì)量，提升制造質(zhì)量的關(guān)鍵，需先解決精密測(cè)量能力問(wèn)題。只有通過(guò)精密測(cè)量，才能知道產(chǎn)品哪里不合格；只有通過(guò)大量精密測(cè)量數(shù)據(jù)的積累，才能找到產(chǎn)品不合格的根源與規(guī)律；只有基于精密測(cè)量數(shù)據(jù)建立起成體系的誤差補(bǔ)償模型，才能有效實(shí)現(xiàn)制造精度和產(chǎn)品性能的精確調(diào)控，產(chǎn)品質(zhì)量才能在不斷地精確調(diào)控中逐漸提升。

超精密光刻機(jī)的研制，很好地證明了這條結(jié)論。

超精密光刻機(jī)被稱(chēng)為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰(zhàn)著人類(lèi)超精密制造的精度和性能極限。超精密光刻機(jī)是在超精密量級(jí)上把最先進(jìn)的光機(jī)電控等幾十個(gè)分系統(tǒng)、幾萬(wàn)個(gè)零部件集成在一起，使其高性能協(xié)同工作，是人類(lèi)裝備制造史上復(fù)雜程度最高，技術(shù)難度最大，綜合精度性能最高的尖端裝備之一。它在高速和高加速度下，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的同步精度、單機(jī)套刻精度和匹配套刻精度等，這與傳統(tǒng)的精度提升環(huán)境完全不同。同時(shí)，超精密光刻機(jī)的制造精度已接近現(xiàn)有制造能力的極限，其精度提升一點(diǎn)點(diǎn)，通常都要付出幾倍、十幾倍的努力。比如，用于28 nm 節(jié)點(diǎn)制程的深紫外（DUV）光刻機(jī)擁有7 萬(wàn)多個(gè)光機(jī)零件，涉及到上游5000 多家供應(yīng)商。這些零部件對(duì)精度和穩(wěn)定性的要求極高，其中85% 的零部件集成了供應(yīng)鏈上所有制造商的優(yōu)勢(shì)，才共同研發(fā)成功。

任何一個(gè)重要零件不合格都會(huì)導(dǎo)致超精密光刻機(jī)研制失敗。以其中一個(gè)構(gòu)件——激光反射鏡的制造精度為例。它由微晶玻璃制成，有108 項(xiàng)尺寸公差和62 項(xiàng)形狀、位置、方向公差，還有內(nèi)部應(yīng)力等技術(shù)要求。要完成這樣一個(gè)復(fù)雜構(gòu)件的超精密測(cè)量，需要20 多種專(zhuān)用超精密測(cè)量?jī)x器。而光刻機(jī)有7 萬(wàn)多個(gè)光機(jī)零件，其中80% 以上的零件處于精密和超精密級(jí)，需要700 多種專(zhuān)用精密和超精密測(cè)量?jī)x器。如果沒(méi)有成體系的專(zhuān)用超精密測(cè)量技術(shù)與儀器來(lái)管控制造精度，就不可能制造出合格的零件，也不可能裝配調(diào)試出合格的部件與分系統(tǒng)，更不可能裝配調(diào)試出合格的光刻機(jī)整機(jī)。從一類(lèi)裝備到整個(gè)裝備制造業(yè)，一個(gè)普遍的規(guī)律是，只要建立起遍布裝備全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期的精密和超精密測(cè)量整體能力，就能對(duì)整個(gè)裝備制造業(yè)高質(zhì)量運(yùn)行形成有效的調(diào)控能力和穩(wěn)定可靠的支撐能力。

超精密測(cè)量只有形成體系，才能對(duì)高端制造形成整體支撐能力

精密和超精密測(cè)量整體能力的提升還可推動(dòng)國(guó)家測(cè)量體系的建立。其中國(guó)家計(jì)量體系能夠有效管控工業(yè)測(cè)量體系，保障全制造鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期內(nèi)的產(chǎn)品質(zhì)量，賦能高科技產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。目前國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，其產(chǎn)品都經(jīng)歷了從低質(zhì)量向高質(zhì)量的曲折的發(fā)展歷程。正是因?yàn)榻⑵鹆送暾木軠y(cè)量體系，培育起了一批頂尖的超精密儀器企業(yè)，才能為高端裝備制造提供強(qiáng)有力支撐，打造出諸多世界品牌。

凡是制造強(qiáng)國(guó)和質(zhì)量強(qiáng)國(guó)，都是儀器強(qiáng)國(guó)和測(cè)量強(qiáng)國(guó)。世界前20 強(qiáng)儀器企業(yè)被美、日、德、瑞、英占據(jù)，世界前5 名儀器企業(yè)的高端儀器市場(chǎng)占有率超過(guò)50%，世界前10 名儀器企業(yè)高端儀器市場(chǎng)占有率超過(guò)75%，這些儀器強(qiáng)國(guó)同時(shí)都是測(cè)量強(qiáng)國(guó)，都早已經(jīng)構(gòu)建起了先進(jìn)的國(guó)家測(cè)量體系。

為什么我國(guó)制造業(yè)從中低端向中高端跨越時(shí)，遇到的困難非常多，難度非常大？目前，我國(guó)工業(yè)，特別是制造業(yè)仍處于中低端，產(chǎn)品制造質(zhì)量基礎(chǔ)十分薄弱。

從體制機(jī)制層面看，一是現(xiàn)行計(jì)量體系不完整等問(wèn)題導(dǎo)致量值傳遞能力薄弱、大量傳遞鏈斷裂，質(zhì)量調(diào)控能力在底層失控；二是現(xiàn)行計(jì)量管理體制僵化，市場(chǎng)化程度低，不利于培育服務(wù)型測(cè)量業(yè)態(tài)，不利于發(fā)展工業(yè)測(cè)量服務(wù)市場(chǎng)。

從技術(shù)層面看，一是尚未形成完備的整體工業(yè)測(cè)量能力；二是精密級(jí)測(cè)量還沒(méi)有形成整體能力，超精密級(jí)測(cè)量能力還處于初級(jí)階段；三是關(guān)鍵測(cè)量技術(shù)亟待突破，高端測(cè)量?jī)x器儀表和核心零部件長(zhǎng)期依賴(lài)國(guó)外。無(wú)論是管理模式，還是技術(shù)支撐，都已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域?qū)珳?zhǔn)測(cè)量測(cè)試的需求，深層次改革勢(shì)在必行。

新一代國(guó)家測(cè)量體系可以分步推進(jìn)：在國(guó)家計(jì)量體系層面，要系統(tǒng)布局面向工程參量的國(guó)家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)建立；在工業(yè)測(cè)量體系層面，可以先從一些重要產(chǎn)業(yè)的精密測(cè)量和超精密測(cè)量做起，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)、汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、平板顯示器產(chǎn)業(yè)和半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)等，可建設(shè)面向各類(lèi)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)工業(yè)測(cè)量體系；對(duì)工業(yè)集群集中的區(qū)域，如哈大齊工業(yè)走廊、遼中南制造業(yè)集中區(qū)、長(zhǎng)三角制造業(yè)集中區(qū)、長(zhǎng)三角制造業(yè)集中區(qū)等，可建立各具區(qū)域產(chǎn)業(yè)背景的區(qū)域工業(yè)測(cè)量體系。在面向各行各業(yè)的工業(yè)測(cè)量體系和覆蓋國(guó)內(nèi)各個(gè)制造業(yè)集中區(qū)的區(qū)域工業(yè)測(cè)量體系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有計(jì)量量子化和量值傳遞扁平化特征的新一代國(guó)家測(cè)量體系。只有這樣，才能對(duì)我國(guó)整個(gè)高端制造形成整體支撐能力。

2023 年2 月6 日黨中央國(guó)務(wù)院印發(fā)了《質(zhì)量強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，提出了2025 年和2035 年發(fā)展目標(biāo)，為工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)指明方向。國(guó)家新型工業(yè)測(cè)量體系是質(zhì)量強(qiáng)國(guó)建設(shè)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，是我國(guó)工業(yè)，特別是制造業(yè)從中低端向中高端跨越的核心支撐，是提升產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。進(jìn)入中高端制造階段，精密和超精密測(cè)量就成為不可或缺的核心能力，要想造得出，必先測(cè)得出，要想造得精，必先測(cè)得準(zhǔn)。構(gòu)建國(guó)家新型工業(yè)測(cè)量體系是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇，也是補(bǔ)齊我國(guó)工業(yè)，特別是高端裝備制造質(zhì)量短板的必由之路。

譚久彬，1955年3月出生于哈爾濱，精密儀器工程專(zhuān)家，中國(guó)工程院院士?，F(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器工程研究院院長(zhǎng)、國(guó)家計(jì)量戰(zhàn)略專(zhuān)家咨詢(xún)委員會(huì)副主任，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，國(guó)際測(cè)量與儀器委員會(huì)（ICMI）常務(wù)委員等。長(zhǎng)期從事超精密測(cè)量與儀器工程的科研與人才培養(yǎng)工作。面向高端裝備制造質(zhì)量提升的特殊需求，提出超精密儀器與裝備精度調(diào)控方法及理論，如多模復(fù)合運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)方法、多軸運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)誤差分離方法和主動(dòng)負(fù)剛度隔微振方法等系列創(chuàng)新方法；突破超精密運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)等系列核心技術(shù)，研制成功4種國(guó)家級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和21種大型超精密測(cè)量?jī)x器與超大型超精密測(cè)試裝備，創(chuàng)建了超精密儀器與裝備精度調(diào)控技術(shù)體系與平臺(tái)體系；解決了我國(guó)戰(zhàn)略武器裝備、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高性能衛(wèi)星相機(jī)等36個(gè)重大型號(hào)高端裝備研制生產(chǎn)中的超精密測(cè)量與精度調(diào)控難題，顯著提升了重大型號(hào)裝備的精度水平。建成國(guó)內(nèi)第一個(gè)超精密儀器研發(fā)基地和產(chǎn)業(yè)化基地。作為第一完成人，獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2006年），二等獎(jiǎng)2項(xiàng)（2013、2016年）。

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