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高清晰原子分辨率扫描探针显微镜
 
        在两项国家重大仪器项目和一项大科学工程一级课题基础上,产品化自主研制的、国际领先(获21项发明专利和2项国际专利)的多款“高清晰原子分辨率扫描探针显微镜(SPM)”及其核心部件:自主发明并命名的“熊猫”、“壁虎”、“金枪鱼”三款原子精度微型大推力压电马达,以满足因纳米、微器件和生物科技的迅速发展而陡增的对原子分辨率成像和精密定位的需求,并在目前国内市场极大依赖进口的现状中脱颖而出。
 
        项目特点:
 
        以自主创新成功的多款SPM:全低压普通与恶劣条件STM、高Q调幅AFM/MFM为拳头产品,以其中的多个核心技术:(1)“熊猫”、“壁虎”、“金枪鱼”三款高精密大推力压电马达(应用:恶劣条件原子成像、精密机床进刀控制、精密数码相机/显微镜调焦、生物细胞与DNA操控、微机器人以及其它自动控制);(2)微弱信号测量技术(应用:飞安电流表、微弱信号万用表);(3)弱力测量技术(高灵敏流量计);(4)低温-超高真空-强磁场技术等,作为独立产品或配套产品销售,最终形成属于自己的“高分辨与弱信号测量与成像”产业及其衍生的科学仪器产业。我们的这些技术都具有自主知识产权,得到了21项国家发明专利的授权保护(图10),和2项国际PCT专利保护。所有产品均是环境友好的。
 
        主要指标:
 
        (1)高清晰原子分辨率成像
        (2)< 10V 全低电压原子分辨率STM成像控制(国际首个)。
        (3)10飞安STM电流分辨率(国际最高,商业STM一般为1000飞安)
        (4)普通与恶劣条件原子分辨率成像(国际首次)
        (5)每秒 > 20万行超高速成像(国际最快)
        (6)低温、强磁场、超高真空、溶液(电化学反应环境)兼容
        (7) 配备扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和磁力显微镜(MFM)等多款SPM。
        (8)配备“熊猫”、“壁虎”、“金枪鱼”等高精密大推力抗恶劣条件压电马达
        (9)提供飞安表、微弱信号万用表、成像控制器、低温、超高真空、强磁场设备。
 
        应用状况:
 
        纳米、微器件、原子操控、分子生物技术的发展正处于爆棚阶段,对原子分辨率的SPM显微成像设备需求倍增。但所有SPM均需高电压和复杂隔音减震设施,致使价格昂贵,严重影响普及。产品主要依赖进口。国产的很少且成像质量有待提高。团队2005年来一直在自主研制低成本-高品质SPM,获多项国家重大仪器项目的支持,现已研制成功无需隔音减震,甚至可在恶劣条件下工作的全低电压、超高清原子分辨率SPM,大大降低成本的同时大幅提高了成像质量,甚至在振动与噪声干扰强到面对面说话都听不清、整个楼板都在振动的水冷强磁体中也获得了高清晰原子图像(国际首次)。现在是时候把这些领先的成像技术推向市场,使之普及,广泛应用于芯片、高密存储、生物工厂、科研和教学领域。
 
        本项目产品可应用于传统SPM不能应用的领域,如:无隔振无隔声的普通实验桌环境、强振动的真空泵或制冷机环境、强振动的水冷环境、普通教室中的教学展示等等。当然,在传统SPM能够得到应用的非恶劣条件(有隔音减震的超安静环境),本项目SPM产品应该给出更好、更稳定的成像质量,得到更好的应用。
 
        此外,在研制SPM的过程中,自主发明的“金枪鱼”、“壁虎”、“熊猫”等压电马达均为近理想的压电马达:尺寸小、刚性强、推力大、定位精度高、工作温区范围大,其本身也是非常好的产品,可广泛应用于除SPM外的其它领域,如:高精度机床的自动进刀控制、纳米级精度的自动光学调焦、生物细胞与DNA的操纵、微机器人等多个尖端科技应用市场。自主研制(获得发明专利授权)的微弱信号测量仪、微弱信号万用表、微弱流量计、频率仪、低温、超高真空系统等也均是科学研究、精密制造等重要应用领域的基本设备,应用也很广。
 
        市场情况:
 
        随着纳米、微器件和原子操控技术的发展,对具有原子分辨率的SPM(1986年诺贝尔奖)的需求迅速增加,出现了安捷轮、Veeco、牛津仪器,RHK等多家大公司竞争局面,但售价高居不下(80-500万元),而技术还是多年的老技术。这使得自从SPM问世以来(首个SPM是得到诺贝尔奖的扫描隧道显微镜,即STM)一直使用高电压控制成像(成本高,噪音高,稳定性低),且老旧的结构也使得原子分辨率也需要在复杂的隔音、减震系统中才能获得,不能像普通光学显微镜那样随意放在普通的实验桌上就能成像。这些高成本、低稳定性、严苛的使用环境都大大限制了SPM的普及。
    
        本项目的产品种类较多,包含三大块:(1)三种主要的扫描探针显微镜(SPM),包括扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜(MFM),其中的每一类型显微镜又可衍生出多种款型,例如,仅STM一种显微镜就可以分成普通型STM(室温大气条件)、超高真空STM、低温STM、强磁场STM、电化学STM等。这些STM款型都将是我们的产品。(2)压电马达,主要是团队发明的三款新原理压电马达:“壁虎”、“熊猫”、“金枪鱼”马达。她们既是SPM的核心部件(用于把探针与样品的间距从安装时的几毫米逼近到微-纳米范围以便扫描成像),又可以单独作为产品销售。(3)微弱信号测量设备,包括:飞安表、微弱信号万用表、高阻计等SPM的辅助电子测量仪。这些产品的技术含量非常高,也是非常重要又应用很广的科学仪器。其中主要仪器之一的STM还被授予了1986年的诺贝尔物理学奖。经过多年的发展,它们的重要性正在迅速增加。竞争也从早期的多家小公司并购到几家大公司手中,包括:安捷伦、牛津仪器、Veeco、RHK等。虽然如此,但整个SPM市场已发展得非常庞大。一些高端配置的STM产品的一套售价就高达几千万元人民币。较多的是集中在80-500万元。例如,强磁场STM的售价就高达400多万元。由于各种SPM都可以与多种设备连用,例如:STM与超高真空、低温、强磁体、离子枪、分子束外延生长设备(MBE)等,其整个STM的市场就已大到难以计算和超乎想象。绝大多数国内SPM主要依赖进口,特别是高端产品。国产的最大SPM品牌是早期白春礼院士创建的“本原纳米仪器有限公司”,占国产SPM产品的65%,2006-07内出售60余台,收入为1000万元(摘自本原公司万页),为低端产品。与进口的相比,显然其产品的成像质量有待提高(见其网页给出的用其产品发表的论文,原子分辨率图像极少,且质量不高)。而我们自己的产品具有接近国产的价格,但成像质量高过进口的,是具有很高竞争力的。
 
        此外,压电马达产品的市场也很大(2011年为107亿美元,且年涨幅>15%,摘自www.micromanufacturing.com/showthread.php?t=517),除了应用于实现SPM外,近年来更是已应用于数码相机和光学显微镜等的自动高精密调焦,数控机床的精密进刀控制、生物细胞和DNA操控、微机器人等,应用范围越来越广。高精密压电马达产品也主要集中在AttoCube等少数国外大公司手里,且利润极高。例如,AttoCube的一套简单的三维压电马达及其控制器,售价就高达近30万元(每一维10万元)。但国内自己生产的压电马达产品几乎未见。
 
        好的微弱信号测量仪产品也主要控制在Keithley、安捷伦、HP等少数大公司手里,且售价也非常高。例如,Keithley的一台飞安表的售价高的15万元。
 
        上述三大块产品市场很大,也控制着很多重要科研的命脉,但主要依赖于进口。国产的产品很少,有的话,包括像本原仪器等SPM公司,也只是生产一些低端产品,品质也不如进口的好。国内的主要科研单位也更倾向于购买国外的进口产品。希望利用团队多年在国家重要仪器项目经费资助下自主研制的、在这三大块领域的创新产品,特别是产品的超低价格和超高品质,来与主流的外国公司竞争。
 
        进展阶段:
 
        已有商业产品的整机样机可展出和演示,正在小规模生产。
 


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