臺階儀原理

臺階儀的原理？今天鑠思百檢測小編帶大家詳細(xì)一下吧

1 引言

表面特征是材料、化學(xué)等領(lǐng)域的不可或缺的主要研究內(nèi)容，合理地評價表面形貌、表面特征等，對于相關(guān)材料的評定、性能的分析和加工條件的改善都具有重要的意義。

表面臺階高度測量在材料表面研究中有十分重要的作用。一方面，表面測量技術(shù)通過臺階高度可以測定一定的微觀形貌；另一方面，半導(dǎo)體制造業(yè)為主的工業(yè)產(chǎn)業(yè)中涉及大量的臺階高度的檢測問題。臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。因此，在材料化學(xué)領(lǐng)域，材料表面的線條寬度、間距、臺階高度、表面粗糙度的測量，線寬、線間距等校對樣板的校準(zhǔn)以及這些幾何尺寸的量值統(tǒng)一和溯源的重要性就不言而喻了。

2 表面測量技術(shù)發(fā)展概況

表面形貌對材料的性能有著很深的影響，因此人們在很早以前就認(rèn)識到表面測量的重要性。

1929 年德國的施馬爾茨(G.Schmalz)首先對表面微觀不平度的高度進(jìn)行了評定，并在此后出版的一本專著中提出了評定參數(shù)Hmax和測量基準(zhǔn)線的概念。這兩個概念的提出是表面粗糙度研究歷史上的一次大飛躍，開創(chuàng)了對表面粗糙度數(shù)量化描述的新時代。

1936年美國的艾卜特(E.J.Abbott)研制成功第一臺用于車間測量表面粗糙度的輪廓儀，相當(dāng)于研制出了臺階儀進(jìn)行表面測定的一個基本雛形。

1940年英國Taylor-Hobson公司研制成功表面粗糙度測量儀“泰勒塞夫(TALYSURF)”。以后，各國又相繼研制出多種測量表面粗糙度的儀器。

隨著對表面質(zhì)量要求的提高，表面測量技術(shù)也在不斷地發(fā)展。并且伴隨著微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種表面檢測方法不斷涌現(xiàn)，基于各種測量原理的表面測量儀器紛紛問世。根據(jù)各種測量原理的特征，表面測量方法可分為以下三類：接觸式測量法、光學(xué)測量法和非光學(xué)式掃描顯微鏡法。

（1）光學(xué)測量法

光學(xué)測量法為非接觸測量，可克服接觸測量的缺點(diǎn)，但由于存在衍射效應(yīng)和系統(tǒng)的橫向分辨率由物鏡的數(shù)值孔徑?jīng)Q定，會影響測量結(jié)果。且測量條件較為嚴(yán)格，要求被測表面要清潔，因?yàn)榛覊m對光學(xué)測量的影響較大，被測表面的反射率也是影響測量結(jié)果的重要因素。光學(xué)測量類儀器主要用來測量非常精細(xì)的表面，如光學(xué)鏡面、磁盤、磁頭、高分子材料等反射率大于1%的表面。

（2）掃描顯微鏡法

掃描探針顯微鏡法的水平和垂直分辨率相對以上兩種方法而言是最高的，達(dá)到原子量級，但測量范圍很小，而且操作復(fù)雜，操作環(huán)境要求高，主要用于原子級或納米級材料和生物表面的結(jié)構(gòu)分析。

（3）接觸式測量法

觸針式測量方法具有較大的垂直范圍，是應(yīng)用最廣泛、也是最基本的一種表面測量方法，最高垂直分辨率可達(dá)亞納米級，且垂直方向動態(tài)比率高，可以獲取表面粗糙度、波紋度、形狀誤差及其它一些形貌特征等綜合信息。測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，重復(fù)性好，對測量環(huán)境要求低，儀器操作簡單，不僅可測金屬表面，也可測非金屬表面。但由于是接觸性測量，會對被測表面有一定的損傷，觸針也會受到磨損。觸針式測量儀用途廣泛，可用于生產(chǎn)、制造、加工、磨損摩擦潤滑研究等。在本文中，筆者將重點(diǎn)介紹該測量方法，以及使用該方法的測量儀器——臺階儀。

3 臺階儀的基本結(jié)構(gòu)及原理

臺階測量是傳統(tǒng)表面形貌測量的一個新發(fā)展，與傳統(tǒng)表面形貌測量相比，其測量樣品多為單向性布局的規(guī)則表面，樣品多為不同材料且硬度較小，測量范圍較大，要求測量力較小。

臺階儀屬于接觸式表面形貌測量儀器，顧名思義，是一種測量臺階的儀器，常用來測試材料的臺階厚度。根據(jù)使用傳感器的不同，接觸式臺階測量可以分為電感式、壓電式和光電式3種。電感式采用電感位移傳感器作為敏感元件，測量精度高、信噪比高，但電路處理復(fù)雜；壓電式的位移敏感元件為壓電晶體，其靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單，但傳感器低頻響應(yīng)不好、且容易漏電造成測量誤差；光電式是利用光電元件接收透過狹縫的光通量變化來檢測位移量的變化。

如圖1所示，其測量原理是：當(dāng)觸針沿被測表面輕輕滑過時，由于表面有微小的峰谷使觸針在滑行的同時，還沿峰谷作上下運(yùn)動。觸針的運(yùn)動情況就反映了表面輪廓的情況。

傳感器輸出的電信號經(jīng)測量電橋后，輸出與觸針偏離平衡位置的位移成正比的調(diào)幅信號。經(jīng)放大與相敏整流后，可將位移信號從調(diào)幅信號中解調(diào)出來，得到放大了的與觸針位移成正比的緩慢變化信號。再經(jīng)噪音濾波器、波度濾波器進(jìn)一步濾去調(diào)制頻率與外界干擾信號以及波度等因素對粗糙度測量的影響。

臺階儀測量精度較高、量程大、測量結(jié)果穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好，此外它還可以作為其它形貌測量技術(shù)的比對。但是也有其難以克服的缺點(diǎn)：

（1）由于測頭與測件相接觸造成的測頭變形和磨損，使臺階儀在使用一段時間后測量精度下降；

（2）測頭為了保證耐磨性和剛性而不能做得非常細(xì)小尖銳，如果測頭頭部曲率半徑大于被測表面上微觀凹坑的半徑必然造成該處測量數(shù)據(jù)的偏差；

（3）為使測頭不至于很快磨損，測頭的硬度一般都很高，因此不適于精密零件及軟質(zhì)表面的測量。

4 影響因素

（1）樣品浸泡方向

樣品測試面朝上刻蝕后，在臺階上測試的圖像基準(zhǔn)面線路水平，膜層刻蝕干凈，與膜層面線路平行，形成臺階效果好，測試數(shù)據(jù)平行度好，偏差小，重現(xiàn)性高。而測試面朝下刻蝕的樣品，結(jié)果差。值得一提的時，臺階儀測厚度制樣時，需將樣品制備成薄膜狀，所測結(jié)果即為對應(yīng)點(diǎn)的厚度。

（2）膠帶粘貼方式

采用粘貼膠帶后直接刻蝕樣品的方法，測試結(jié)果偏差較大，數(shù)據(jù)波動大，重現(xiàn)性差，測試效果不理想。而采用粘貼膠帶后先劃去一部分再刻蝕樣品的方法，測試結(jié)果偏差較小，數(shù)據(jù)波動小，重現(xiàn)性好，測試效果理想?？梢?，測試前，在粘貼膠帶時應(yīng)用刀片劃去膠帶邊緣位置，再進(jìn)行刻蝕。

（3）雜質(zhì)的影響

通過大量實(shí)踐表明：使用酒精擦拭樣品時一定要將樣片擦拭干凈，樣片上若殘留污漬，特別是膠帶邊緣處，會影響測量結(jié)果。故而測試前，一定要采取防止污染引起測試結(jié)果不準(zhǔn)確的措施。