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

3月5日，總書記指出“任何時候中國都不能缺少制造業(yè)”，測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》聚焦國家重大專項、國家自然科學(xué)基金委員會重大科學(xué)儀器項目，為反映超精密測量領(lǐng)域研究進(jìn)展，推出“超精密測量技術(shù)”專題。并特邀譚久彬院士為專題撰寫導(dǎo)言，總領(lǐng)和概括超精密測量的研究進(jìn)展和方向。

文章鏈接：譚久彬. 超精密測量技術(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”開爾文有一條著名結(jié)論：“只有測量出來，才能制造出來。” 精密測量技術(shù)的發(fā)展不斷促進(jìn)著工業(yè)制造的換代升級。在當(dāng)代科技和工業(yè)領(lǐng)域，高水平的精密測量技術(shù)和精密儀器制造能力，反映了一個國家科學(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)揮著越來越重要的作用。

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

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

精密測量興起于工業(yè)大生產(chǎn)。規(guī)模化大生產(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)的重要特征，產(chǎn)業(yè)分工與專業(yè)化配套越來越細(xì)化、越來越精密，地域分布越來越廣、產(chǎn)業(yè)鏈遍布全世界。也就是說，一個產(chǎn)品由成百上千甚至成千上萬個零部件組成，這些零部件不可能由一個廠家生產(chǎn)，需要遍布各地的很多個優(yōu)勢生產(chǎn)廠家合作完成。比如一部智能手機(jī)，有1600 多個零件和元器件，由分布在世界上11 個國家和地區(qū)的150 多家工廠提供。這帶來一系列好處：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)層面存在一個大問題——把如此多的零件、元器件集成到一起時，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。

為了解決這類問題，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國際計量局（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，對產(chǎn)品的每一個零件和元器件的所有技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精密測量，以保證成千上萬的同一種零件或元器件都具有互換性。通俗地說，就是用到哪一個零部件都是合格的。這需要一個前提為保障：發(fā)生在世界各地的千千萬萬次測量都是準(zhǔn)確無誤的。怎么才能保證準(zhǔn)確無誤？BIPM 用一個公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞給每一臺測量儀器，以保證這個標(biāo)準(zhǔn)量值在全世界范圍內(nèi)準(zhǔn)確一致，進(jìn)而保證所有的測量儀器都是精準(zhǔn)的，所有的測量數(shù)據(jù)都是精準(zhǔn)的。從那時起，精密測量已成為促進(jìn)科技發(fā)展的重要新興學(xué)科。

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

對一個國家而言，精密測量與裝備制造業(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，需先解決精密測量能力問題。只有通過精密測量，才能知道產(chǎn)品哪里不合格；只有通過大量精密測量數(shù)據(jù)的積累，才能找到產(chǎn)品不合格的根源與規(guī)律；只有基于精密測量數(shù)據(jù)建立起成體系的誤差補(bǔ)償模型，才能有效實現(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)被稱為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰(zhàn)著人類超精密制造的精度和性能極限。超精密光刻機(jī)是在超精密量級上把最先進(jìn)的光機(jī)電控等幾十個分系統(tǒng)、幾萬個零部件集成在一起，使其高性能協(xié)同工作，是人類裝備制造史上復(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，實現(xiàn)納米級的同步精度、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，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，其精度提升一點點，通常都要付出幾倍、十幾倍的努力。比如，用于28 nm 節(jié)點制程的深紫外（DUV）光刻機(jī)擁有7 萬多個光機(jī)零件，涉及到上游5000 多家供應(yīng)商。這些零部件對精度和穩(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，才共同研發(fā)成功。

任何一個重要零件不合格都會導(dǎo)致超精密光刻機(jī)研制失敗。以其中一個構(gòu)件——激光反射鏡的制造精度為例。它由微晶玻璃制成，有108 項尺寸公差和62 項形狀、位置、方向公差，還有內(nèi)部應(yīng)力等技術(shù)要求。要完成這樣一個復(fù)雜構(gòu)件的超精密測量，需要20 多種專用超精密測量儀器。而光刻機(jī)有7 萬多個光機(jī)零件，其中80% 以上的零件處于精密和超精密級，需要700 多種專用精密和超精密測量儀器。如果沒有成體系的專用超精密測量技術(shù)與儀器來管控制造精度，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)。從一類裝備到整個裝備制造業(yè)，一個普遍的規(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量整體能力，就能對整個裝備制造業(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。

超精密測量只有形成體系，才能對高端制造形成整體支撐能力

精密和超精密測量整體能力的提升還可推動國家測量體系的建立。其中國家計量體系能夠有效管控工業(yè)測量體系，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。目前國際上工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，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。正是因為建立起了完整的精密測量體系，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)國和質(zhì)量強(qiáng)國，都是儀器強(qiáng)國和測量強(qiáng)國。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)的高端儀器市場占有率超過50%，世界前10 名儀器企業(yè)高端儀器市場占有率超過75%，這些儀器強(qiáng)國同時都是測量強(qiáng)國，都早已經(jīng)構(gòu)建起了先進(jìn)的國家測量體系。

為什么我國制造業(yè)從中低端向中高端跨越時，遇到的困難非常多，難度非常大？目前，我國工業(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)行計量體系不完整等問題導(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)行計量管理體制僵化，市場化程度低，不利于培育服務(wù)型測量業(yè)態(tài)，不利于發(fā)展工業(yè)測量服務(wù)市場。

從技術(shù)層面看，一是尚未形成完備的整體工業(yè)測量能力；二是精密級測量還沒有形成整體能力，超精密級測量能力還處于初級階段；三是關(guān)鍵測量技術(shù)亟待突破，高端測量儀器儀表和核心零部件長期依賴國外。無論是管理模式，還是技術(shù)支撐，都已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域?qū)珳?zhǔn)測量測試的需求，深層次改革勢在必行。

新一代國家測量體系可以分步推進(jìn)：在國家計量體系層面，要系統(tǒng)布局面向工程參量的國家計量基標(biāo)準(zhǔn)建立；在工業(yè)測量體系層面，可以先從一些重要產(chǎn)業(yè)的精密測量和超精密測量做起，如航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)、汽車產(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)面向各類產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)工業(yè)測量體系；對工業(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)、長三角制造業(yè)集中區(qū)、長三角制造業(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)測量體系。在面向各行各業(yè)的工業(yè)測量體系和覆蓋國內(nèi)各個制造業(yè)集中區(qū)的區(qū)域工業(yè)測量體系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有計量量子化和量值傳遞扁平化特征的新一代國家測量體系。只有這樣，才能對我國整個高端制造形成整體支撐能力。

2023 年2 月6 日黨中央國務(wù)院印發(fā)了《質(zhì)量強(qiáng)國建設(shè)綱要》，提出了2025 年和2035 年發(fā)展目標(biāo)，為工業(yè)轉(zhuǎn)型升級指明方向。國家新型工業(yè)測量體系是質(zhì)量強(qiáng)國建設(shè)的堅實基礎(chǔ)，是我國工業(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)核心競爭力的關(guān)鍵。進(jìn)入中高端制造階段，精密和超精密測量就成為不可或缺的核心能力，要想造得出，必先測得出，要想造得精，必先測得準(zhǔn)。構(gòu)建國家新型工業(yè)測量體系是實現(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，精密儀器工程專家，中國工程院院士?，F(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器工程研究院院長、國家計量戰(zhàn)略專家咨詢委員會副主任，中國儀器儀表學(xué)會副理事長，中國計量測試學(xué)會副理事長，國際測量與儀器委員會（ICMI）常務(wù)委員等。長期從事超精密測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)動基準(zhǔn)方法、多軸運(yùn)動基準(zhǔn)誤差分離方法和主動負(fù)剛度隔微振方法等系列創(chuàng)新方法；突破超精密運(yùn)動基準(zhǔn)等系列核心技術(shù)，研制成功4種國家級計量標(biāo)準(zhǔn)裝置和21種大型超精密測量儀器與超大型超精密測試裝備，創(chuàng)建了超精密儀器與裝備精度調(diào)控技術(shù)體系與平臺體系；解決了我國戰(zhàn)略武器裝備、航空發(fā)動機(jī)、高性能衛(wèi)星相機(jī)等36個重大型號高端裝備研制生產(chǎn)中的超精密測量與精度調(diào)控難題，顯著提升了重大型號裝備的精度水平。建成國內(nèi)第一個超精密儀器研發(fā)基地和產(chǎn)業(yè)化基地。作為第一完成人，獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎1項（2006年），二等獎2項（2013、2016年）。

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