譚久彬院士：超精密測量與儀器技術是高端制造發(fā)展的前提與基礎

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。《激光與光電子學進展》聚焦國家重大專項、國家自然科學基金委員會重大科學儀器項目，為反映超精密測量領域研究進展，推出“超精密測量技術”專題。并特邀譚久彬院士為專題撰寫導言，總領和概括超精密測量的研究進展和方向。

文章鏈接：譚久彬. 超精密測量技術與儀器是高端制造發(fā)展的前提與基礎[J]. 激光與光電子學進展, 2023, 60(3): 0312001

“現(xiàn)代熱力學之父”開爾文有一條著名結(jié)論：“只有測量出來，才能制造出來。” 精密測量技術的發(fā)展不斷促進著工業(yè)制造的換代升級。在當代科技和工業(yè)領域，高水平的精密測量技術和精密儀器制造能力，反映了一個國家科學研究和整體工業(yè)領先程度，更是發(fā)展高端制造業(yè)的必備條件。隨著精密測量技術不斷進步，其在科學研究、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)境保護等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

精密測量技術促進了現(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域，精密測量有具體的數(shù)量級概念：精密測量是指測量準確度在1 μm~0. 1 μm 量級的測量，超精密測量是指測量準確度優(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，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：大批量標準化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量高、成本低。但技術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指標不合格，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，國際標準化組織（ISO）和國際計量局（BIPM）制定了一系列標準與規(guī)范。依據(jù)這些標準與規(guī)范，對產(chǎn)品的每一個零件和元器件的所有技術參數(shù)進行精密測量，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確無誤的。怎么才能保證準確無誤？BIPM 用一個公認的標準量值傳遞給每一臺測量儀器，以保證這個標準量值在全世界范圍內(nèi)準確一致，進而保證所有的測量儀器都是精準的，所有的測量數(shù)據(jù)都是精準的。從那時起，精密測量已成為促進科技發(fā)展的重要新興學科。

超精密測量技術是引領現(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。裝備制造業(yè)向中高端跨越的關鍵是提升制造質(zhì)量，提升制造質(zhì)量的關鍵，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。

超精密光刻機的研制，很好地證明了這條結(jié)論。

超精密光刻機被稱為“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。超精密光刻機是在超精密量級上把最先進的光機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雜程度最高，技術難度最大，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）光刻機擁有7 萬多個光機零件，涉及到上游5000 多家供應商。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致超精密光刻機研制失敗。以其中一個構件——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)部應力等技術要求。要完成這樣一個復雜構件的超精密測量，需要20 多種專用超精密測量儀器。而光刻機有7 萬多個光機零件，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)試出合格的光刻機整機。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有力支撐，打造出諸多世界品牌。

凡是制造強國和質(zhì)量強國，都是儀器強國和測量強國。世界前20 強儀器企業(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%，這些儀器強國同時都是測量強國，都早已經(jīng)構建起了先進的國家測量體系。

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)量基礎十分薄弱。

從體制機制層面看，一是現(xiàn)行計量體系不完整等問題導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，不利于培育服務型測量業(yè)態(tài)，不利于發(fā)展工業(yè)測量服務市場。

從技術層面看，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；三是關鍵測量技術亟待突破，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，還是技術支撐，都已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟社會各領域?qū)珳蕼y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：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準建立；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)動機產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、平板顯示器產(chǎn)業(yè)和半導體照明產(chǎn)業(yè)等，可建設面向各類產(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)測量體系的基礎上，構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 日黨中央國務院印發(fā)了《質(zhì)量強國建設綱要》，提出了2025 年和2035 年發(fā)展目標，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)量強國建設的堅實基礎，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)核心競爭力的關鍵。進入中高端制造階段，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。構建國家新型工業(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。現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學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，中國儀器儀表學會副理事長，中國計量測試學會副理事長，國際測量與儀器委員會（ICMI）常務委員等。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，如多模復合運動基準方法、多軸運動基準誤差分離方法和主動負剛度隔微振方法等系列創(chuàng)新方法；突破超精密運動基準等系列核心技術，研制成功4種國家級計量標準裝置和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、高性能衛(wèi)星相機等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，獲國家技術發(fā)明獎一等獎1項（2006年），二等獎2項（2013、2016年）。

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