表面测量技术的发展

一、表面测量技术的发展

1929年德国科学家Schmaltz研制出了世界上第一台触针式轮廓记录仪，该仪器利用光学杠杆放大原理测量表面轮廓[1]。1940年英国Taylor Hobson公司成功研制了Talysurf触针式表面轮廓仪，该仪器使用机械触针探测被测表面，获取被测表面的表面轮廓[2]。1970年Meadows提出了基于光学条纹图分析原理的测量技术，通过提取条纹图中的相位信息，从而获取物体表面形貌[3]。表面测量技术的发展过程由最初的机械触针接触式测量发展到光学非接触测量，由触针逐点测量发展到光学多采样点测量。随着传感检测技术的发展。表面形貌测量的分辨率和精度大幅度提高，能达到亚微米甚至纳米量级。随着扫描电子显微镜（SEM）和扫描探针显微镜（SPM）的出现。测量物质表面的原子形态和排列已经成为了现实。表面形貌测量方法大致分为机械触针式测量、光学探针式测量、干涉显微测量、SEM 和SPM五种，其中机械触针式测量、显微干涉测量和SPM技术在科学研究和工业领域应用较广。这三种方法都能达到较高的测量分辨率和精度，而且均有性能较好的商用仪器被开发出来[4]。但这几种方法都有各自的应用范围，这是由自身的测量原理决定的。下面结合超精密表面粗糙度测量，分别对这三种方法加以论述。

1.1机械触针法

机械触针法按照位移检测方式分为电感式[5]、电容式、压电式、迈克尔逊干涉式[6]、柱面光栅干涉式[7]、扫描白光干涉式[8]等，由于直接接触被测表面，其测量结果稳定可靠，成为了工业上应用最广的表面粗糙度测量仪器。为了测量表面微小的间距和峰谷，需要使用极细的针尖，针尖半径一般为几微米。通常在针尖镶金刚石以提高针尖硬度，降低磨损。在测量的过程中，触针针尖在机构自身重力、外部机械力或电磁力的作用下与被测表面紧密贴合，与触针直接连接或通过机械杠杆连接的传感器检测测量点的高度值。在扫描载物台驱动下，触针相对于被测样品运动并对被测表面逐点扫描 触针针尖划过被测表面 从而获取到被测表面的轮廓曲线。

机械触针法归纳起来有以下特点：（1）具有较大的水平测量范围，测量范围取决于扫描载物台的运动行程，一般有几十毫米；（2）具有较大的垂直测量范围和较高的纵向分辨率，一般垂直测量范围可达几毫米到十几毫米，纵向分辨率可达纳米量级；（3）动态性能差和逐点测量决定了该类仪器测量速度慢，这也会引入环境因素的干扰，影响测量结果；（4）触针针尖作用于被测表面，接触力约为几毫牛到几十毫牛，而且随高度变化很大，这会划伤被测表面特别是松软的表面，所以触针法不适合软质材料表面的测量；（5）由于针尖半径的限制，无法测量出超精密表面测量所关心的轮廓中的高频部分，因而机械触针法不适合超精密表面粗糙度的测量，一般只用于表面粗糙度在亚微米量级及更大的表面。

1.2显微干涉法

显微干涉法是利用光学干涉原理进行表面形貌测量的一种非接触测量方法。干涉显微法包括扫描白光干涉法[9]、相移干涉法[10-11]、外差干涉法[12-13]、全息干涉法[14]等。扫描白光干涉法是一种大范围、高精度、相位不模糊的显微干涉法[15]。扫描白光干涉法利用白光相干长度短的特点，使用零级条纹定位。在扫描系统的驱动下，干涉显微镜对被测表面高精度扫描 记录每个采样点处于零光程差位置时的扫描位移值，从而取被测表面的三维形貌。相移干涉法和外差干涉法是典型

的位相干涉测量方法，通过检测受被测表面形貌调制的显微干涉图像中的位相信息来获取被测表面的三维形貌。全息干涉法是利用光干涉获取被测表面的光强和相位，并用数值模拟光学的衍射过程，再现被测表面的三维形貌。

显微干涉法归纳起来有以下特点：（1）采用多采样点测量或面测量，测量效率比机械触针法高；（2）具有较高的纵向分辨率，能达到纳米级以上分辨率；（3）垂直测量范围小，位相测量法受波长限制，扫描白光干涉一般也只有几十微米；（4）受衍射极限和显微物镜数值孔径的限制，横向分辨率难以突破亚微米量级，因而不适合超精密表面粗糙度的测量。

1.3扫描探针显微镜

1982年Binning和Rohrer研制成功了世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）。STM出现以后，多种形式的扫描探针显微镜（SPM）陆续被研发出来[16-20]，SPM 通过探测探针与被测样品间的各种相互作用进行测量。STM基于量子隧道效应，通过检测隧道电流来获取表面形貌，具有极高的测量分辨率，能观察到物质表面排列的单个原子。但由于其基于量子隧道效应，这从原理上决定了其测量对象要求具有导电性能，因而绝缘材料需要镀一层导电材料才能进行测量。附加的镀层无疑会影响测量结果，这也限定了STM的推广。

1986年，Binning，Quate等人在STM的基础上发明了原子力显微镜(AFM) [35]。AFM的出现，使观察物质表面的原子形态和排布成为可能，在科学研究和工业生产上有着十分重大的意义。AFM以原子力探针针尖原子和被测表面原子间的作用力作为检测对象，能达到原子级测量分辨率，结构上由原子力探针、微悬臂偏转量检测装置、扫描系统等几部分组成 其原理图如图1-1所示。

图1-1 AFM原理图

原子力探针由集成加工成一体的探针和微悬臂组成。AFM通过检测微悬臂的偏转来获取被测点高度，在被测区域内按照一定的轨迹逐点扫描来对被测表面成像。AFM基于原子间的相互作用力，避免了STM难于测量绝缘材料表面的缺陷，迅速成为了在工业测量领域使用最广的SPM。AFM具有原子级横向分辨率和纵向分辨率，但早期的AFM主要用于对表面成像，其计量特性差。为了获取有计量意义的数据，国内外科研院所已经开展了一些对计量型AFM的研究[21-25]。但这些研究大多只是附加计量系统并不能满足超精密表面粗糙度测量的要求。

二、触针式表面粗糙度测量的发展

2.1触针式轮廓仪的发展及现状

早在1929 年, 德国的G. Schmaltz 首先对表面微观不平度的参数进行了定

量的测量, 随后出现了一些基于机械和光学方法实现信号转换的表面特征记录仪器。1936 年, 美国的E. J. Abbott 研制成功第一台车间用的测量表面粗糙度的轮廓仪, 它是现在美国Bendix 公司测微计分厂生产的表面轮廓仪的先驱。1940 年,英国Taylor- Hobson 公司研制成功了表面粗糙度测量仪Talysurf 。从那时以来, 各国也竞相研制轮廓仪, 轮廓仪从此进入了表面特征测量领域, 并迅速取得了主导地位。

轮廓仪技术的发展同电子技术、计算机技术、信号处理技术等发展相适应。以Talysurf 系列产品为例, 它经历了电子管电路技术(Talysurf3 型) , 晶体管电路技术(Talysurf4 型) 和集成电路技术( Talysurf 5P 5Z 5L) 等阶段, 目前已经进入了数字技术、计算机技术辅助轮廓仪的新阶段, 如Talysurf 5M 、Talysurf 6 型和Form Talysurf,而每一阶段的转变都使轮廓仪达到了一个更先进的水平。

触针式轮廓仪尽管有产生划痕、扫描速度低、测量区域有限等缺点, 但它仍是目前最常用、最可靠的表面粗糙度测量仪, 并且一直是各国国家标准及国际标准制定的依据。

2.2. 滤波

表面轮廓中的高频分量是表面粗糙度信号, 为了获得该信号, 需要对表面轮廓进行高通滤波。在最初的电动轮廓仪中模拟电子滤波器是由两级相同的RC 网络级联而成, 它的传输特性已标准化, 在ISO3274-1975 标准中规定, 传输系数为:

201()(10.577/)

K j λλλ=- 事实上, 这样的滤波器是两个完全相同的一阶高通巴特沃斯滤波器的级联。在截止波长处的传输系数为75% , 但它的相移是非线性的, 会使表面轮廓发生扭曲, 即所谓的相位失真。在模拟电路中曾采用一种“全通网络”对其进行校正, 但效果不很理想。

随着计算机技术在轮廓仪中应用的发展, 数字滤波器被引入了表面特征测量系统中。由于当时的国标仍是按模拟滤波器的特性而定义, 因此在最初的微机化轮廓仪中, 数字滤波器只是将2RC 模拟滤波器进行数字化, 它的幅频特性是与模拟滤波器一致的。在数字技术中, 如果将数据按序列的正常时间次序通过滤波器, 然后颠倒序列的时间次序再通过同一滤波器, 如图2-1 所示, 这样等效滤波器的频率特性是实数, 就实现了零相位的数字滤波。

图2-1零相位滤波器原理

对于模拟2RC 滤波器和零相位数字滤波器, 在截止波长处的增益为75%, 而且随着频率的增大, 衰减过程比较慢。如果将轮廓信号分别通过粗度滤波器和 波度滤波器, 将分别得到的粗度信号与波度信号叠加,与原轮廓不符。新的国际标准( ISO/ TC57/ SCIN129,1990) 建议使用高斯滤波器, 该滤波器的权函数为:

2()t h t A e β-=∙

选择合适的参数A 和β, 可以使高斯滤波器在截止波长处增益为50%。