3.4. Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров.

Процедура элементарного прямого измерения:

• Воспроизведение ФВ заданного размера q[ ];

• Сравнение измеряемой ФВ Q с воспроизводимой мерой q[ ].

В оспроизведение единицы физической величины – это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей в стране точностью посредством государственного эталона или образцового средства измерения (СИ).

Эталон – средство измерений (или комплекс СИ), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке (ГОСТ 8.057-80).

Различают две основных группы эталонов:

Первичные эталоны; Вторичные эталоны.

Первичный эталон (государственный эталон) - обеспечивает воспроизведение и хранение единицы с наивысшей в стране точностью.

Вторичные эталоны (эталон-копия, рабочий эталон) – хранит размер единицы, полученной соответствующей ФВ. Рабочий эталон применяется для передачи размера единицы ФВ рабочим СИ.

Передача размера единицы ФВ – это приведение размера единицы ФВ поверяемого СИ к размеру единицы ФВ, воспроизводимой эталоном.

Схема передачи размера единицы ФВ

Первичный эталон

Вторичные эталоны

Эталонная база России имеет в своем составе более 100 государственных эталонов (ГЭ) и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. В учебной литературе подробно описаны принципы построения эталонов и их точностные характеристики.

Необходимо отметить, что совершенствование эталонов с целью повышения их точности – процесс непрерывный, обусловленный стремительным развитием науки, технологии производства.

Часто существенное повышение точности эталона связано с использованием новых открытых физических эффектов. Важно отметить, что прорывные технологии (например, переход на нанотехнологии) напрямую связаны с возможностью воспроизводить (или измерять) требуемые характеристики (например, размер) с более высокой точностью, чем требует технология. Это говорит о том, что переходить к новым технологиям можно, если есть СИ, имеющие более высокую разрешающую способность (или точность).

Приведем пример из области микроэлектроники и вычислительной техники.

Создание и стремительное развитие ЭВМ потребовало (и постоянно это требование ужесточается) повысить точность измерения размеров элементов до максимальных пределов.

Вместе с тем, до 1960г. эталоном метра был платиновый концевой метр, изобретенный Архимедом в 1809г. и слегка улучшенный (сплав платины и иридия) в 1889г. Его погрешность (1-2*10^-7м). Но уже в конце 50-х, когда была создана первая в мире интегральная схема (1959г., Джек Килби), потребовались методы измерения и контроля более совершенные.

Был разработан принципиально новый эталон метра (1960г.). В качестве такого эталона принят метр длины, равной 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона-86 (криптоновый метр). Точность криптонового метра ~0,01 – 0,02 мкм (т.е.1-2*10^-8м).

Это позволило перейти к 1968г. на технологию молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяющей буквально «выращивать» микросхему на кремниевой пластине. Главные принципы этой технологии не изменились по сей день, вот только в современных процессорах на той же площади помещаются не десятки тысяч, а десятки миллионов транзисторов.

Согласно правилу Мура каждые 2 года технологические возможности микроэлектроники удваиваются! Современная технология производства ИС: размер элемента на подложке диаметром 300 мм составляет ~0,13мкм – это так называемая 0,13-микронная технология (или просто 0,13).

Известно, что точность всех оптических элементов, формирующих изображение ИС должна быть от этой длины волны  (эффект дифракции).

Сейчас для засветки используют мягкое рентгеновское излучение из плазменного облака, образующегося при лазерном облучении специальной мишени. В настоящее время для этого используются эксимерные (например, ArF – аргонфторовые) лазеры с  = 193 нм (ультрафиолет).

Отсюда и получаем возможное разрешение 10нм = 0,01мкм.

В 2005- 2006г.г. совершен переход на технологию 0,1; по подсчетам аналитиков – к 2007г. должны достигнуть технологии 0,07, к 2014г. – 0,035 (при этом на 1см² ~100 миллиардов транзисторов).

Уменьшение длины волны (до уровня 0,035 – технологии) может потребовать создания рентгеновских лазеров (таких еще нет), либо создания новых принципов технологии ИС.

Но нас интересуют метрологические проблемы. Для реализации технологии 0,035 нужны средства измерения длины (размеров) с погрешностью 5-10нм = 5-10*10^-8м)

Это потребует эталонов с погрешностью ~10^-9 м

В 1983г. за эталон метра принят эталон основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения стабилизированного лазера.

Достигнута погрешность

Сегодня этой метрологической базы достаточно, но для 0,035-технологии уже мало.

Пример 2: Самым точным эталоном в настоящее время является государственный первичный эталон и государственная первичная схема для средств измерения времени и частоты. Основой этих устройств являются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы).

Стабильность таких эталонов: (1-5)*10^-14 (!)

До 1967г. эталоном времени была секунда: (определялась через период вращения Земли вокруг Солнца). Средние солнечные сутки определялись с погрешностью до 10^-7с.

Пример 3: Важной основной единицей в механике является килограмм. Вместе с тем, за эталон килограмма до сих пор принимается платино-иридивая гиря. Относительная погрешность ~2*10^-6 .

С развитием работ по созданию более точного эталона возник вопрос о связи единицы массы с атомными константами. Например, масса атома углерода могла бы быть использована в качестве естественной единицы массы. Действительно, массы макроскопических объектов (килограмм) могут быть измерены в атомных единицах массы (а.е.м.), т.к. известно:

1 кг = (10³ моль)*N_A*1a.е.м., где N_A постоянная Авогадро.

К сожалению, погрешность измерения N_A составляет ~10^-6 и пока не может быть уменьшена доступными средствами. Эта погрешность соответствует старому, гораздо более простому и удобному эталону килограмма.

Таким образом, создание новых эталонов с более высокой точностью воспроизведения единиц ФВ – чрезвычайно сложная задача. С открытием учеными новых эффектов (эффекты Джозефсона, эффект Холла и т.п.) они, несмотря на сложность и, зачастую, громадные затраты, реализуются прежде всего в создании принципиально новых типов эталонов, мер, образцовых приборов. И только благодаря этому сегодня удается продвигаться в знаниях и технологиях.