从0.1nm到1mm，显微测量仪测量抛光至粗糙表面

szzhongtu5 · 发表于 2024-5-30 15:13:56

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显微测量仪是纳米级精度的表面粗糙度测量技术。它利用光学、电子或机械原理对微小尺寸或表面特征进行测量，能够提供纳米级甚至更高级别的测量精度，这对于许多科学和工业应用至关重要。
在抛光至粗糙表面测量中，显微测量仪器具有从0.1nm到1mm的测量范围，每种仪器都有其独特的功能和应用范围。

三种不同显微测量技术在测量表面粗糙度方面的优势详解
一、光学3D表面轮廓仪
工作原理：
1.光源与分光：仪器的光源发出的光束首先通过扩束准直，然后通过分光棱镜分成两束光。一束光直接投射到被测表面，另一束光则投射到参考镜上。
2.反射与干涉：从被测表面反射回来的光束与从参考镜反射回来的光束在分光棱镜处汇聚，由于两束光在不同的路径上行进，它们之间存在光程差。当两束光的光程差为半波长的整数倍时，它们会发生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。
3.成像与分析：光学3D表面轮廓仪将被测表面的形貌特征转化为干涉条纹信号。通过测量这些干涉条纹的变化，可以推算出被测表面的三维形貌。系统软件对这些数据进行处理和分析，从而得到表面的粗糙度、台阶高度、几何轮廓等参数。

测量能力：
1.粗糙度测量范围：SuperViewW光学3D表面轮廓仪能够测量从超光滑表面（0.1nm粗糙度）到相对粗糙表面（1mm粗糙度）的三维形貌。
2.垂直分辨率：SuperViewW光学3D表面轮廓仪可以达到0.1nm的垂直分辨率，这对于测量光滑表面的微小高度变化至关重要。
3.水平分辨率：水平分辨率取决于仪器的扫描范围和传感器的像素大小，它决定了可以测量的最小特征尺寸。
4.速度：光学3D表面轮廓仪视图与分析工具同框设计，实现分析过程的所见即所得，大大缩减了操作时间；且批量测量样品时，无需精确对焦，即可一键完成测量分析，有效提高生产效率。SuperViewW光学3D表面轮廓仪可加装高速扫描模块W-Ultra，在0.1nm分辨率下，其扫描速度提升到原机型的4倍以上。
5.非接触式测量：非接触式测量方式不会对样品表面造成损伤，这对于易损或敏感材料非常重要。

在纳米级表面粗糙度分析中的测量优势：
光学3D表面轮廓仪的特殊光源模式可以广泛适用于从光滑到粗糙等各种精密器件表面的测量。
在纳米级表面粗糙度分析中，光学3D表面轮廓仪能够测量从超光滑表面到相对粗糙表面的三维形貌，覆盖从0.1nm到1mm的粗糙度范围。

二、共聚焦显微镜
工作原理：
1.点光源和点探测：显微镜使用一个照明针孔来产生点光源，这个点光源照射到样品上，然后样品上的特定点反射的光通过另一个探测针孔被探测器捕获。
2.共焦平面：照明针孔和探测针孔是共轭的，这意味着只有处于共焦平面上的点才能被探测器接收，而平面外的光则被针孔阻挡，从而抑制了背景噪声。
3.逐点扫描：样品通过载物台在X、Y轴方向上移动，而光束在Z轴方向上扫描，从而获得样品表面的三维形貌。
4.图像重建：通过计算机软件，将逐点收集的数据重建为样品表面的三维图像。

测量能力：
1.粗糙度范围：从0.1nm到1mm不同粗糙度的表面，都能测量。
2.纳米级分辨率：共聚焦显微镜可以达到0.1nm的垂直分辨率，这对于观察和测量极微小的表面特征非常有用。
3.高对比度成像：由于共聚焦显微镜抑制了焦平面外的光，具有很强的纵向深度的分辨能力。它所展示的图像形态细节更清晰更微细，能够提供色彩斑斓的真彩图像便于观察。
4.适应性：共聚焦显微镜适用于各种不同类型的材料，包括金属、陶瓷、聚合物等。在工业制造中的应用包括但不限于质量控制、材料特性分析、缺陷检测、表面处理效果评估等。
5.自动化和软件分析：现代共聚焦显微镜通常配备有自动化扫描系统和软件分析工具，可以进行快速、准确的测量和数据分析。

在纳米级表面粗糙度分析中的测量优势：
由于使用了点光源和点探测，共聚焦显微镜具有比传统显微镜更高的轴向（Z轴）分辨率。
共聚焦显微镜具有复杂结构大角度形貌的测量能力，能够测量倾斜角近乎90度的漫反射斜坡面形貌，尤其擅长大坡度、低反射率的粗糙表面形貌测量。

三、台阶仪
工作原理：
1. 探针接触式测量：测量时通过使用2μm半径的金刚石针尖在超精密位移台移动样品时扫描其表面，通过探针的垂直移动来测量表面的高度变化。
2.精密位移平台：样品或探针安装在精密的位移平台上，该平台可以在X、Y轴方向上进行精确移动，以扫描样品表面。
3.传感器反馈：测针的垂直位移距离被转换为与特征尺寸相匹配的电信号并最终转换为数字点云信号。
4.数据采集：随着位移平台的移动，数据点云信号在分析软件中呈现为扫描轨迹的轮廓曲线，从而获得表面轮廓的精确信息。
5.计算机处理：采集到的数据通过不同的分析工具进行处理和分析，从而获取相应的台阶高或粗糙度等有关表面质量的数据，具备3D扫描和成像显示功能。

测量能力：
1.表面粗糙度分析：能够测量样品的粗糙度和波纹度，分析软件通过计算扫描出的微观轮廓曲线，可获取粗糙度与波纹度相关的Ra、RMS、Rv、Rp、Rz等数十项参数。
2.台阶高度与薄膜测量范围：能够测量纳米到330μm甚至1000μm的台阶高度。最小至8nm的台阶高标准块的测量能力，以及台阶测量精度（0.3%）和重复性（0.05%），奠定了台阶仪在微纳米台阶与膜厚快速测量领域绝对的实力。
3.小尺寸特征测量：台阶仪能够测量非常小的特征尺寸，这对于微电子和微机电系统（MEMS）等领域非常重要。
4.适应性：具有很强的应用场景适应性，其对被测样品的反射率特性、材料种类及硬度等均无特殊要求，能够广泛应用于半导体、太阳能光伏、光学加工、MEMS器件、微纳材料制备等各行业领域内的工业企业与高校院所等科研单位。

在纳米级表面粗糙度分析中的测量优势：
具备透光性的薄膜，光学仪器无法测量获取准确的膜厚数值，而台阶仪测量膜厚不受基材透射率影响，规避光学仪器的弱点。

选择合适的测量技术，取决于包括被测材料的特性、所需的测量精度、测量范围、表面特性以及预算等因素。在某些情况下，也可能需要结合使用多种测量技术，以获得最全面和准确的测量结果。

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