该设备的除涵盖一般轮廓、形貌测量设备的功能外，最突出的特点是可以进行三维高精度坐标 测量，这是其他设备无法做到的。与普通的三坐标测量相比，该设备的测量精度、分辨率要高出几 个数量级。
系统组成与测量原理：
整个 3D Nanofinger 系统由台 架、控制系统、探头、针尖组成。
系统控制单元控制探头沿样 品表面移动，以测量形貌、粗糙度、 尺寸。操作者可根据需要设定参 数，如探头移动的步长，选择、制 定自己的测试模式，以使测量长 度、速度、路径、分辨率达到最优 化。
如果和微加工设备组合，可以实现在线测量。
应用实例：
说明：以下的实例中使用的样品都是用户的标准样，根据国家标准。 实例中的测量值为实验值，不作为验收标准。
1． 量快的外形尺寸测量 样品是一个金属块，之前用某种计量仪器检测过，已知精确尺寸。
X 方向结果 Y 方向结果 Z 方向结果
原参考值 40,000.080μm 40,000.080μm 18,000.000μm
纳米三坐标测量仪（轮廓仪、形貌仪）
德国 Klocke 公司的 Nanofinger 是一种兼具原子量级分辨率和厘米级线性行程的纳米定位与测 量系统，系统测量范围大，且具有极高的空间三维精度。可在 50mm x 50mm x20mm 的空间范围内 实现分辨率 1nm 的三維坐标测量，跨越 8 个数量级。
用户自己可以对参数调整，如设定测量路径。
可以测量多种参量如尺寸、粗糙度等。
有可选接口，可与微加工设备集成。
垂直方向：10 或 20mm
技术特点：
与下为 3D Nanofinger 与常见微纳米测量设备和三坐标的比较：
台阶仪
光学轮廓仪
坐标测量仪
测量精度
பைடு நூலகம்
纳米级
Z 向纳米级
微米级
XY 向微米
量程
毫米级
通常微米级
结果
3D Nanofinger
共焦显微镜
光学色散测量设备
沟槽的宽度
250µm
250µm
沟槽的角度
71°
71°
仪器缺点不足 针尖形状度测量结果有影响。需 无法测量沟槽结构 测量错误
要很好的标定和校准。
共焦显微镜结果，它无法测量沟槽深度方向信息。
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光学色散方法的探头扫描图像，测量结果是错误的。
3． 测量孔的直径
普通轮廓仪是沿着坐标方向进行扫描。3D Nanofinger 则与此不同，它可以沿一个路径测量。例 如根据样品的情况，沿着其内部或外部轮廓进行测量，这样可以测一些比较复杂的样品及其细部。 样品是一个标准金属块，上面的孔径已用某种计量仪器进行了标定。
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用途 表面扫描 表面扫描 表面扫描 表面扫描 表面扫描 表面扫描 表面扫描 表面扫描 表面扫描 只用来进行深度测量 表面的直角扫描 表面直角扫描 轮廓测量（内、外） 轮廓测量（内、外） 轮廓测量（内、外） 轮廓测量（外） 轮廓测量（外）
典型型号：
系统布局灵活以满足用户需要。不同的平台安装方法配合各类台架及辅助设备构成检测设备。 最简单的系统为通用型测试平台，如图 1 所示。其他的纳米模块可以方便的安装到平台上，以 进一步扩展功能。也可以如图 2 那样安装在大理石桥架上，并配备 100X100mm2 的高精平台，用来 测量更大的样品或一批样品。该系统分辨率 50nm。
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Nanofinger 探头是完成测量工作 的主要部件，其核心为一个 MEMS 器 件。通过它准确测量针尖和样品间的 距离，分辨精度 0.5nm。当二者间距小 于 10nm 时，MEMS 器件监测到针尖 上信号的变化，从而感知样品的接近。 系统随时记录这种信号的变化，并根 据此前预设的信号/高度参数标定高度 值。
6．极高精度的 3D 形貌图
如前面介绍，3Dnanofinger 三方向运动和测量精度保持一致。可以沿着一条设定的路径测量。 可以测量孔径或样品内部尺寸，外部尺寸（例如轴承上的沟槽） 下图为 CNC 钻床和磨床上使用的刀具刃部的三维图像。
这张图片再次证明了该设备的强大功能。没有一种坐标测量设备或轮廓仪可以提供如此标准的 3D 图像：纳米精度测量从微米到毫米、甚至厘米级尺寸的物体。
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左图清晰、直观地显示了整个测 量过程。
z 探针以出发点为测量原点，接近 样品
z 当到达预设定的高度停止。记录 坐标位置
z 系统自动退针到预定高度停止。 z 根据设定的测量规则横向移动到
下一测量点，开始测量。
整个过程由计算机控制完成。
图中 Contact 的意思是到达预先设 定的高度，而非接触到样品表面。整 个过程中样品、针尖保持在几个纳米 的间距（一般为 5nm），为非接触测量。
3D Nanofinger 中国代理： 北京汇德信科技有限公司 地址：北京市海淀区五道口华清嘉园 7 号商务会馆 706 室(100083） 电话：010-82867920/21/22 传真：010-82867919 电子邮件：contact@ 网址：
3D NanoFinger 测量值 40,000.129μm 40,000.059μm 18,000.133μm
差值 0.049μm -0.021μm 0.133
结论：3D NanoFinger 测量值更精确。3 个方向的精度都是纳米级，精度统一。
2． 角度测量 该样品为德国国家标准学院 PTB 的基准样品。
Ra
6,010 nm
5,882 nm
-128 nm
Rz
23,700 nm
23,218 nm
-482 nm
5．在狭窄的结构中进行扫描测量
以下测量的是玻璃光导上的 V 型沟槽。下图为整个 V 型沟槽阵列的总览。
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单个 V 型沟槽的扫描图像
该沟槽 3D 形貌图
目前还没有其他一种测量方法可以测量这种深沟槽结构。以下为其他两种光学方法的测量结果。
综上所示，不难看出 3D Nanofinger 具有很多优点： z 纳米精度测量，而且是三维方向都可保持统一的精度。 z 测量量程跨越纳米到厘米级。 z 用户可以设定测量路径，这样就能沿着样品形状进行测量。适合复杂轮廓测试。 z 配合多种不同功能的探针，可以完成一般轮廓仪无法进行的结构测量。特别是结构内部。
下图所示为两种典型针尖的电镜图像：
细线状针尖，尖端半径 25nm。
尖端弯曲的针尖，可以测量侧壁。
- 3D Nanofinger 2 -
部分典型的针尖如下表所示：
编号 1 2 3 4 5 7 8 14 15 17 12 16 9 11 13 6 10
针尖形状 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 平头针 尖锐(<～500nm) 尖锐(<～500nm) 球径 d=0.12mm 球径 d=0.3mm 球径 d=0.3mm
3D Nanofinger 测孔的图片
原参考值 5,001.200µm
3D NanoFinger 测量值 5,001.564µm
测量结果
差值 0.364µm
4．表面粗糙度的测量 Ra 和 Rz：
样品是 Talor Hobson 带的基准样品。根据国家标准。
原参考值
3D NanoFinger 测量值 差值
d=0.3mm
d=0.3mm
描述 直针 直针 直针 直针 直针 直针 直针 直针 直针 直针 弯针 弯针 测杆上装球头 测杆上装球头 测杆上装球头 柱状头 柱状头
其他参数 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.38mm 细线直径 d=0.125mm 细线直径 d=0.08mm d=0.125mm,钩子<1mm,长~9mm d=0.125mm,钩子<1mm,长~9mm 测杆 L~1.5mm d=0.07mm 测杆 L~4mm d=0.2mm 测杆 L~2mm d=0.2mm 不锈钢管 不锈钢管
厘米级
小于 1mm
可到米
粗糙度测量 可以
可以
不行
尺寸测量
仅一个方向
XYZ 可测
3D 形貌测量 通常不行
可以
通常不行
探头尺寸
0.2~1 微米
0.2~1 微米
测量自由度
只能沿扫描线测 无法进行复杂尺寸测 5 个自由度
量，无法测复杂样 量
可以测量复杂样品尺
品
寸
3D Nanofinger 三方向都是纳米级 精度一致 可以到厘米级 甚至分米 可以 XYZ 可测 可以 0.05 微米 5 个自由度 可以测量复杂样品 尺寸
针尖：
3D NanoFinger 的针尖架可装不同微探针。针尖的种类多样，从尖锐的线针尖（针尖尖端半径可 达 50nm 的）到球型头各异，用户可根据检测目的和应用范围不同进行选择。
通常细线状针尖可以深入到大深宽比微结构的内部，以纳米精度测量表面的粗糙度、轮廓、尺 寸甚至整个区域的 3D 图像。而具有确定直径的球头主要用来测量样品的尺寸。
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下图显示的是用 3D Nanofinger 测量一条已标定为 90°的 V 型槽。
经测量两条线形成的夹角为： f1(x)= -1.00499*X + 3595842.866803 f2(x)= 0.994323*X + 4632506.155209 测量角度为：90.022°