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《德国联邦物理技术研究院（PTB）为人工智能医疗设备的开发创建新的测试框架》

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  • 《德国联邦物理技术研究院（PTB）用世界上最高精度的光波纳米尺为半导体行业提供黄金标准的校准服务》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2024-11-28
    • 近日，德国联邦物理技术研究院（PTB）的测量专家Gaoliang Dai，开发出了世界上最高精度的光波纳米尺，而纳米尺其中的一个典型应用就是 PTB 的计量原子力显微镜，它使用几乎跟原子体积一样细的尖端扫描表面。它对表面的原子力做出反应。尖端的移动是通过光的干涉来测量的，也就是回溯到光的波长，而光的波长又通过 PTB 的原子钟以最高的精度来确定。（这些原子钟不仅仅是时钟，也是波长或频率的标准。） PTB的计量学原子力显微镜在世界上是独一无二的：它的测量范围是传统设备的1000倍，测量速度是传统设备的10倍以上。其测量精度无与伦比：高度测量的测量不确定度为0.3nm，平均结构距离的测量不确定度高达15pm。这大约相当于晶圆上两个硅原子之间距离的一半或三分之一。该显微镜描绘了纳米世界的一切：每一个曲率，每一个粗糙度。这就是纳米世界美丽、多彩图像的创建方式。 当然，这种美丽本身并不是目的。“如果你不能测量它，你就无法管理它——据说经济学家彼得·德鲁克（Peter Drucker）是这么说的。在半导体行业尤其如此，“Gaoliang Dai高粱解释道。这位物理学家是PTB 3D纳米计量工作组的负责人，他解释说：晶体管离芯片越近，制造过程就越复杂。高科技芯片上的结构大小约为20纳米。这相当于大约40个原子的大小。超过50%的芯片制造步骤可能涉及复杂纳米结构的测量或表征。测量参数包括关键尺寸（CD）——尺寸和形状、薄膜厚度、表面和界面特性、物理特性、缺陷以及相关参数。它们有助于说明结构-功能关系。“为了保证产品质量，会不断进行大量的测量，” Gaoliang Dai说。 为此，在生产中使用了一系列不同的测量仪器，这些仪器基于不同的物理原理并相辅相成：光学、离子、电子、X射线和表面力方法。他们的结果流入一个计量数据库，然后通过数据融合或人工智能推导出监控和优化制造过程的措施。“然而，有一个基本问题，”Gaoliang Dai说：“这些测量结果也具有可比性吗？换句话说，所有设备测量的事物都完全相同吗？Gaoliang Dai通过使用计量学原子力显微镜和其他一些全球最精密的测量仪器来解答这个问题，制造这些仪器需要大量的物理知识，它们为工业生产提供支持。 纳米世界中的计量学远比我们日常生活中的要复杂得多。“精确的测量需要对物理学的深刻理解，而这远远超出了显而易见的范畴，” Gaoliang Dai解释说。例如，计量可以通过测量针尖的尺寸以及针尖与测量对象之间的复杂相互作用进而对计量学发展产生显著影响或改变。 “为了实现尽可能高的精度，除了逐步改进之外，还需要创新的方法，” Gaoliang Dai引用了当前的例子：“PTB开发的一种开创性方法，该方法使用晶体硅的原子距离（一种自然常数）作为一种新型纳米尺。“这个被称为'自下而上'的方法，现在已得到全球计量学界的公认和应用。国际计量局（BIPM）的长度咨询委员会（CCL）推荐它作为纳米测量的米二级实现方法。”Gaoliang Dai自豪地说。 新方法与已建立的纳米尺相结合，被作为最高精度的各种纳米校准标准。标准（英文：standard）是具有非常精确的已知尺寸的可比较对象。例如，我们有台阶高度、宽度、厚度或粗糙度的标准。从事工业生产的企业可以通过它们来检查和校准其测量器具。 在一个项目中，PTB对AMTC公司的EUV光刻掩模进行了可追溯和非破坏性的校准。为了双重验证测量结果，其中一个掩模还被用透射电子显微镜进行了额外检查。然而，不幸的是，这种额外检查会彻底破坏EUV光刻掩模。但为了验证最终的测量结果的准确性，这种损耗是必要的：“因为两种物理上完全不同的计量方法都提供了相同的结果，”Gaoliang Dai说，“只有这样才能准确可靠地测量结构，制造公司才能将他们的掩模作为黄金标准在工业生产中使用。黄金标准是工业生产中最高级别的标准。 PTB的专业计量技术也被纳入许多工业合作项目中。其中一项于2024年初推出，采用了一种全新的计量方法。在这个项目中，PTB正在与来自欧洲各地的研究和工业界的众多合作机构一起开发一种“绿色”光刻胶。它的原料生长在海里：来自甲壳类动物的甲壳素。如果对其进行特殊处理，它会像现在使用的化学物质一样对光敏感。该项目将再持续研究两年时间。“在那之后，我们也许能够将我们食用后的废弃物用于半导体光刻，” Gaoliang Dai说。初步研究结果显示这个目标非常有希望实现。这个名为RESIN GREEN的项目的成功对他来说是近在咫尺的事情：“我们当然有责任，”这位科学家解释说。“能够在这个行业使用环境友好型的替代原材料是一件非常重要的事情。”
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  • 《德国联邦物理技术研究院（PTB）开发一种新型数字校准证书》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-09-22
    • 近日，德国联邦物理技术研究院（PTB）利用数据宝库开发了一种数字校准证书，机器可以在没有人为帮助的情况下读取和评估，这是迈向工业4.0的一大步。 那些在公司生成中实现的流程自动化实际上在未来很长一段时间内还都依赖于流水线控制台上的人类员工。但手工输入数据既耗时、容易出错，又单调乏味。在测量设备的校准领域，现在有了解决方案：数字校准证书。这个数字校准证书是在精密技术的故乡——德国联邦物理技术研究院（PTB）设计的。 在德国某家大型制药公司的办公室里，高度集中的面孔、键盘咔嗒作响了几个小时，将无尽的数据列输入到公司自己的计算机系统中：测量设备名称、制造商、型号、序列号、订单号、校准日期、测量不确定性、温度、湿度、测量范围。数字，数字，数字。 在许多使用非常精确测量设备的工作场景中，都存在这样的情况。所有这些设备都通过校准证书——通常是纸质的或PDF格式的文件——来证明其质量。但是，如果检查机构不期而至，就没有时间在地下室的文件柜里翻找。因此，所有的“纸质数据”都需要被数字化。但是数字化的过程只能人工录入么？难道没有更高效的方法吗？ 当然可以！解决方案就是数字校准证书。它对人和机器都是可读的。这是通过可扩展标记语言（XML） 实现的。这种通用数据标准可以在不需要任何人工干预的情况下，将校准结果直接从校准设备传输到相应的系统。因此，企业可以节省大量资源，并规避手动数据输入时在所难免的错误。听起来不错，但真的存在吗？是的，确实存在！就在这里！ 德国联邦物理技术研究院（PTB）开发了一种数字校准证书（DCC），一些大型或特别现代化的校准实验室已经根据客户需求向他们的客户提供这种服务。Testo Industrial Services就是这样的公司之一。该公司鼓励其客户进行更多的数字化，并在其网站上展示了一个与PTB共同制定的长度测量的DCC示例。“我们的大多数客户没有时间深入研究校准证书中的许多数据。对他们来说，最重要的是：我的测量设备是否满足所有必要的条件？”Testo的实验室负责人Dr. Christian Sander说。“但校准证书包含着真正的数据宝库，数字证书的自动化评估可以带来巨大的附加价值。” “在开发 DCC 时，与行业进行深入交流对我们来说非常重要，”PTB 的数字化专家 Shanna Sch?nhals 博士解释道。“这是我们理解并考虑所有行业相关要求的唯一方式。”PTB 向其他国家的计量机构也表达了他们的愿望，从而为改进 DCC 做出了贡献。 德国校准服务（DKD） 的 Thomas Krah 博士坚信：“最迟在 15 到 20 年内，我们将在全球范围内实现所有校准过程的完全自动化。现在全世界都在谈论工业 4.0，而其它的一切看起来都像是过时的。” 对于一些企业来说，第一步可能仍然很困难。因为如果想要发挥DCC 的所有优势，企业家们必须提前考虑一些问题：首先，应该如何根据DCC 来重组企业的内部流程？其次，在什么时间点投入时间和资金更加合适？此外，还必须为 DCC 与企业内部系统的接口找到单独的软件解决方案。但是，一旦这些问题得到妥善的处理，DCC就能充分发挥其优势：它不仅可以确保更高的效率和更少的错误，而且仅对机器可读，杜绝了校准结果的事后篡改，能够显著推进自动化进程。Thomas Krah 坚信：“从长远来看，所有企业在数字化校准服务上进行投资都是值得的。他的建议是：“简明地向校准实验室询问已经可能实现的项目，并共同探讨解决方案。” “校准领域的项目财务周转率普遍不是很高，因此这些项目在政府中并不是特别受到重视，”Krah 怀疑道。“ 然而人们忽视了所有德国产品和服务质量在很大程度上都取决于精确的测量。” 因此，有些人希望得到政府和监管方面的支持，以便在小型和中型企业中更容易引入数字校准证书。 联邦教育和研究部（BMBF） 似乎已经听取了他们的意见。他们正在资助 2024 年 9 月启动的 DCC2Ind项目，因为他们已经认识到数字可追溯性与工业生产息息相关：它能够将校准数据无缝集成到工业流程中，并确保更高的透明度和可追溯性——从而提高质量和生产率并降低成本。项目合作伙伴包括德国联邦物理技术研究院（PTB）和 ELMTEC Ingenieurgesellschaft mbH。 也许这是朝着正确方向迈出的一步：根据《增长机会法案》，立法者将要求企业从 2025 年起对企业经营中的所有交易使用电子发票，这在一些其他欧洲国家已经使用一段时间了。所以最迟在2025年，企业将首次体验到XML这种可扩展的元数据标记语言，因为电子发票和 DCC 都是基于它来运作的。
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