精密测量技术课件

第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量l表面微观形貌是指表面的微观几何形态；它是由于加工过程中刀具和零件的摩擦、切削分离时的塑性变形和金属撕裂、加工系统的振动等原因，在零件表面留下的各种不同形状和尺寸的微观结构。表面形貌的测量越来越引起人们重视，这是因为：l(1)表面微观形貌在很大程度上决定了零件的使用性能。它影响机械系统的摩擦磨损、接触刚度、疲劳强度、配合性质、传动精度、导电、导热、抗腐蚀性等，从而影响到机械产品的质量及可靠性。它是机械产品的重要质量指标，不仅要定性测量，还要定量测量。2024/8/51第四章 表面粗糙度及表面微观形貌测量表面微观形貌是指表面的l(2)表面微观形貌对加工过程中的工艺过程状态(如刀具磨损、机床振动、切削用量等)变化非常敏感，因此它被认为是加工过程中控制、监测和诊断的重要手段。l(3)当代高新科技的发展对于表面微观形貌研究提出了越来越高的要求。硅片表面粗糙度对集成电路的电阻、电容、成品率影响很大；磁盘表面粗糙度影响到耐磨、使用寿命、信号的读出幅度、信噪比等；X射线元件、激光器的反射镜窗片、同步辐射光学元件、激光陀螺元件等都要求越来越高的表面质量。l(4)表面微观形貌测量在学科领域上和纳米技术、生物技术等互相渗透，后者的发展为前者带来了新的技术手段和新的工作领域。2024/8/52(2)表面微观形貌对加工过程中的工艺过程状态(如刀具磨损、机l机械加工中描述表面微观形貌误差最常用的参数是表面粗糙度。lRa为轮廓算术平均偏差:在取样长度内被测轮廓偏距绝对值之和的算术平均值。lRz为微观不平度10点高度:在取样长度内5个最大的轮廓峰高与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。lRy为轮廓最大高度:在取样长度内轮廓峰顶线与轮廓谷底线中线的最大距离。lRq为轮廓均方根偏差:在取样长度内轮廓偏距的均方根值。2024/8/53机械加工中描述表面微观形貌误差最常用的参数是表面粗糙度。24-1表面粗糙度的常规测量方法l表面粗糙度反映的是机械零件表面的微观几何形状误差。对表面粗糙度的评价，主要分为定性和定量两种评定方法。l定性评定是将待测表面和已知表面光洁度级别的标准样板相比较，通过目估或借助于显微镜以判别其级别；l定量评定则是通过一定的测量方法和相应的仪器，测出待测表面的不平度参数值。目前，应用较广的表面粗糙度测量方法主要有粗糙度样板比较法、光切法、干涉法、触针法以及印模法等。2024/8/544-1表面粗糙度的常规测量方法表面粗糙度反映的是机械零件表l一、比较法l比较法是车间常用的方法。将被测表面对照粗糙度样板，用肉眼或借助于放大镜、比较显微镜；也可用手摸感觉来判断被加工表面的粗糙度。粗糙度样板(如图4-1)的材料、形成及制造工艺尽可能与工件相同，这样才便于比较，否则会产生较大的误差。比较法一般只用于粗糙度评定参数值较大的情况下，其判断的准确性很大程度上取决于检验人员的经验。当有争议时，可用仪器进行测量。2024/8/55一、比较法2023/8/205l二、光切法l光切法是利用光切原理来测量表面粗糙度的方法。它是将一束平行光带以一定角度投射于被测表面上，光带与表面轮廓相交的曲线影像即反映了被测表面的微观几何形状。这种用光带投影于被测面而获得截面轮廓曲线的方法即称为光切法。光切原理如图所示。由光源发出的光线经狭缝后形成一束光带。此光带以45方向与被测表面相截。若零件表面轮廓如图4-2(a)所示的台阶面，则在与光带投射方向相应的反射方向上。通过显微镜就可以看到4-2(b)所示图像。2024/8/56二、光切法2023/8/2062024/8/572023/8/207l三、干涉法l干涉法是指利用光学干涉原理来测量表面粗糙度的一种方法。l干涉显微镜是根据光学干涉原理制成的。图4-6(a)为其光学系统示意图。由光源1发出的光线经聚光镜2、滤色片3、光阑4、及透镜5后成平行光线，射向半透半反的分光镜7后分成两束：一束光线通过补偿镜8、物镜9到平面反射镜10，被10反射又回到分光镜7，再由7经聚光镜11到反射镜16，由16进入目镜12；l另一束光线向上通过物镜6，投射到被测零件表面，由被测表面反射回来，通过分光镜7、聚光镜11到反射镜16，由16反射也进入目镜12。这样，在目镜12的视场内可观察到这两柬光线因光程差而形成的干涉带图形。2024/8/58三、干涉法另一束光线向上通过物镜6，投射到被测零件表面，由被l若被测表面粗糙不平，干涉带即成弯曲形状如图4-(b)。由测微目镜可读出相邻两干涉带距离a及干涉带弯曲高度b。由于光程差每增加半个波长，即形成一条干涉带，故被测表面微观不平度的实际高度为l式中，为光波波长2024/8/59若被测表面粗糙不平，干涉带即成弯曲形状如图4-(b)。由测微l四、触针法l1、触针法的测量原理l触针法又称针描法，它是一种接触式测量方法，是利用仪器的测针与被测表面相接触并使测针沿其表面轻轻划过以测量表面粗糙度的一种测量法。2024/8/510四、触针法2023/8/2010l四、触针法l如图4-7所示，它是将一个很尖的触针(半径可以做到微米量级的金钢石针尖)垂直安置在被测表面上作横向移动，由于工作表面粗糙不平，因而触针将随着被测表面轮廓形状作垂直起伏运动。将这种微小位移通过电路转换成电信号并加以放大和运算处理，即可得到工件表面粗糙度参数值；也可通过记录器描绘出表面轮廓图形，再进行数据处理，进而得出表面粗糙度参数值。这类仪器垂直方向的分辨率最高可达到几纳米。2024/8/511四、触针法2023/8/2011l这种方法所测出的表面轮廓信息即触针圆心的移动轨迹。而轨迹的半径即等于针尖半径和实际表面轮廓曲线的曲率半径之和。因此，影响这种测量方法准确度的因素主要是触针的形状和测量力。2024/8/512这种方法所测出的表面轮廓信息即触针圆心的移动轨迹。而轨迹的半l五、印模法五、印模法l对于一些大型零件的内表面不便使用仪器测量，除了对于一些大型零件的内表面不便使用仪器测量，除了用比较法测量之外还可用印模法来间接测量。用比较法测量之外还可用印模法来间接测量。l印模法的原理是，利用某些塑性材料作块状印模，贴印模法的原理是，利用某些塑性材料作块状印模，贴合在被测表面上，取下后，在印模上存有被测表面的合在被测表面上，取下后，在印模上存有被测表面的轮廓形状，然后对印模的表面进行测量，得出原来零轮廓形状，然后对印模的表面进行测量，得出原来零件的表面粗糙度。件的表面粗糙度。l目前，常用的印模材料有川蜡、石蜡、赛璐珞和低熔目前，常用的印模材料有川蜡、石蜡、赛璐珞和低熔点合金等。这些材料的强度和硬度都不高，故一般都点合金等。这些材料的强度和硬度都不高，故一般都不用针描法测量它。由于印模材料不可能填满谷底，不用针描法测量它。由于印模材料不可能填满谷底，且取下印模时往往使印模的波峰削平，所以测得印模且取下印模时往往使印模的波峰削平，所以测得印模的的Rz值比实际的略有缩小，一般应进行修正。值比实际的略有缩小，一般应进行修正。2024/8/513五、印模法2023/8/20134-2表面轮廓的的非接触测量方法l电动轮廓仪是应用最广泛的表面粗糙度测量仪器之一，这种仪器使用方便，测量结果可靠，颇受用户欢迎。然而有许多被测件的表面，如光盘、半导体工艺化学样品等是不允许触针划伤的。另外有一些质地较软的表面也不可用触针式电动轮廓仪测量。因此，非接触式表面轮廓探测技术受到重视并得到发展。l激光三角法探针l所谓光学探针就是采用透镜聚焦的微小光点取代金钢石针尖，表面轮廓高度的变化通过检测焦点误差来实现。这项技术首先在光盘装置的光学头中得到开发应用。2024/8/5144-2表面轮廓的的非接触测量方法电动轮廓仪是应用最广泛的表l当被测表面从A移到B点时位移量为Z，假面上的移动量为I。透镜C的物面和像面都不垂直于光轴，该系统的横向放大率不是固定值，分辨率也不是固定值。为得到一个精确的表达式，可用相似关系 l激光三角法探针的原理如图4-10所示。激光束经透镜L聚焦到散射面上的A点，散射光由透镜C收集成像于探测器D的光敏面上，探测器D是位置敏感探测器或电荷耦合器件，输出电压(或计数脉冲数)与光斑在探测器上的位置成比例。2024/8/515当被测表面从A移到B点时位移量为Z，假面上的移动量为I。透镜2024/8/5162023/8/20164-3纳米表面形貌分析l随着科学技术的进步，人类认识和改造微观世界的需要与能力都在不断提高，纳米技术已成为现代科技发展最活跃的领域之一：相应地，纳米表西形貌分析技术也取得了长足的发展，应用领域也在不断拓展。l1981年IBM公司成功地研制了世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)，使人类有史以来第一次能够实时地观察到单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质。此后，一系列能检测到原子量级的检测技术，如原子力显微镜(AFM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)、光子扫描隧道显微镜(PSTM)等相继出现。人类可以按自己的意愿直接操纵单个原子或分子，从而制造出具有特定功能的产品。2024/8/5174-3纳米表面形貌分析随着科学技术的进步，人类认识和改造微l 在20世纪初，精密机械的制造精度(包括系统误差和随机误差)仅为10 urn左右；发展到20世纪90年代，已提高到了几个纳米；21世纪初，将达到纳米甚至亚纳米量级。可见，研制可用于被加工件在线或离线测量的长度、位移纳米测量系统是非常需要的。l本章主要介绍几种能检测到纳米量级的表面形貌分析仪器：扫描隧道显微镜STM、原子力显微镜AFM和扫描近场光学显微镜SNOM。2024/8/518 在20世纪初，精密机械的制造精度(包括系统误差和随机误差)l一、扫描隧道显微镜(STM)lSTM的发明使人类第一次能够实时地观测单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，在物理、化学、表面科学等众多领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。发明者G.Binnig和H.Rohrer也因此获得1986年的诺贝尔物理奖。2024/8/519一、扫描隧道显微镜(STM)2023/8/2019lSTM的基本原理是量子的基本原理是量子隧道效应，其原理结构隧道效应，其原理结构如图如图4-18所示：当金属所示：当金属探针针尖与导电样品表探针针尖与导电样品表面的距离非常接近时面的距离非常接近时(小小于于1 nm)，作为两个电，作为两个电极的探针和样品之间就极的探针和样品之间就会有电子穿过势垒，形会有电子穿过势垒，形成隧道电流。其电流密成隧道电流。其电流密度为度为2024/8/520STM的基本原理是量子隧道效应，其原理结构如图4-18所示：l由式(4-14)可知，隧道电流对针尖与样品间的距离非常敏感，s减小0.1 nm，隧道电流将增加一个数量级，利用这一关系即可通过距离s或电流密度j的变化检测样品表面的起伏。l常见的扫描方式有两种，一种是当探针针尖在xy方向扫描时，利用电子反馈线路控压电陶瓷使探针升降以保持隧道电流恒定，则探针在垂直于样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏，从而得到样品表面态密度的分布及原子排列图像，如图4-19(a)。2024/8/521由式(4-14)可知，隧道电流对针尖与样品间的距离非常敏感，l这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在二向驱动器(压电陶瓷)上的电压值推算表面起伏高度的数值。对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒扫描，由隧道电流的变化亦可得到表面状态密度的分布，如图4-19(b)，这种方式扫描速度快，能减少噪声和热漂移对信号的影响，但检测范围小于1nm。2024/8/522这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在二l二、原子力显微镜二、原子力显微镜l由于由于STM的原理要求所观测的样品必须有一定的原理要求所观测的样品必须有一定程度的导电性，对绝缘体就无法观测。程度的导电性，对绝缘体就无法观测。l1986年，受邀前往美国的年，受邀前往美国的G.Binnig在斯坦福大在斯坦福大学与学与C.F.Quate等人在等人在STM的基础上发明了的基础上发明了原子力显微镜原子力显微镜(AFM)，AFM克服了克服了STM对样对样品导电性的要求，亦达到原子级分辨率。品导电性的要求，亦达到原子级分辨率。AFM的工作原理示意图的工作原理示意图4-20。2024/8/523二、原子力显微镜2023/8/2023l对微弱力敏感的悬臂梁对微弱力敏感的悬臂梁(力传感器力传感器)一端固定，另一端有一端固定，另一端有探针，针尖表面与样品轻轻接触，由于探针尖端原子探针，针尖表面与样品轻轻接触，由于探针尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力与样品表面原子间存在极微弱的排斥力(10-810-6N)，使悬臂梁产生形变。利用光学检测法或隧道电流检测使悬臂梁产生形变。利用光学检测法或隧道电流检测法，可以测出形变大小，从而得到排斥力大小。通过法，可以测出形变大小，从而得到排斥力大小。通过反馈控制悬臂梁或样品上下运动使扫描时针尖与样品反馈控制悬臂梁或样品上下运动使扫描时针尖与样品表面排斥力恒定，则扫描运动轨迹反映了样品表面形表面排斥力恒定，则扫描运动轨迹反映了样品表面形貌和特性。貌和特性。2024/8/524对微弱力敏感的悬臂梁(力传感器)一端固定，另一端有探针，针尖l与与STM相比，相比，AFM有两个比较关键的技术：有两个比较关键的技术：l一是一是AFM力传感器的制备；力传感器的制备；l二是力传感器悬臂梁形变的检测。二是力传感器悬臂梁形变的检测。l而其他如扫描控制、样品逼近、振动隔离、数而其他如扫描控制、样品逼近、振动隔离、数据处理显示等方面，在据处理显示等方面，在STM技术基础上稍加发技术基础上稍加发展即可。展即可。2024/8/525与STM相比，AFM有两个比较关键的技术：2023/8/20l1.AFM的工作模式的工作模式l在在AFM中，探针与样品原子之间有两种类型相互作中，探针与样品原子之间有两种类型相互作用力。用力。l一种是短程力，在针尖与样品表面接触时相互作用力一种是短程力，在针尖与样品表面接触时相互作用力主要是短程的原子间斥力，如泡利斥力和离子斥力、主要是短程的原子间斥力，如泡利斥力和离子斥力、摩擦力等；摩擦力等；l另一种是长程力，即当针尖离开样品表面另一种是长程力，即当针尖离开样品表面10100nm或更大时，如磁力、静电力和范德瓦尔斯力等。或更大时，如磁力、静电力和范德瓦尔斯力等。l短程力的作用范围在短程力的作用范围在0.1nm以下，因此把工作在这种以下，因此把工作在这种方式下的方式下的AFM称为接触模式称为接触模式AFM。而长程力作用范。而长程力作用范围较大，从零点几纳米到几百纳米，因此把工作在这围较大，从零点几纳米到几百纳米，因此把工作在这种方式下的种方式下的AFM称为非接触模式称为非接触模式AFM。2024/8/5261.AFM的工作模式2023/8/2026l图图4-21为接触模式的为接触模式的AFM原理示意框图。将一个对微原理示意框图。将一个对微弱力极为敏感的悬臂梁探针式的力传感器的一端固定，弱力极为敏感的悬臂梁探针式的力传感器的一端固定，另一端的探针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端另一端的探针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极端微弱的排斥力。通过原子与样品表面原子间存在极端微弱的排斥力。通过扫描时控制排斥力恒定，悬臂探针扫描时控制排斥力恒定，悬臂探针(力传感器力传感器)将对应将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而垂直于样于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而垂直于样品的表面方向起伏运动品的表面方向起伏运动(梁弯曲变动梁弯曲变动)。l利用梁弯曲变动的检测器利用梁弯曲变动的检测器检测悬臂梁探针对应于扫描检测悬臂梁探针对应于扫描各点的位置变化，来获得样各点的位置变化，来获得样品表面态的信息。品表面态的信息。l接触模式接触模式AFM针尖与样品针尖与样品表面接触，起作用的是短程表面接触，起作用的是短程力，横向分辨率比较高。但力，横向分辨率比较高。但探针扫描时由于接触而存在探针扫描时由于接触而存在横向力，并且当样品很小时，横向力，并且当样品很小时，要求力传感器的力弹性常数要求力传感器的力弹性常数很小，否则会划伤样品或引很小，否则会划伤样品或引起图像失真。起图像失真。2024/8/527图4-21为接触模式的AFM原理示意框图。将一个对微弱力极为l图图4-22为非接触模式的为非接触模式的AFM原理示意框图。原理示意框图。AFM的探的探针与样品不接触，它们之间存在吸引力。将悬臂梁在针与样品不接触，它们之间存在吸引力。将悬臂梁在接近其固有频率处激振，当探针接近祥品凸起部位表接近其固有频率处激振，当探针接近祥品凸起部位表面时，由于样品对悬臂探针产生吸附力，因而使悬臂面时，由于样品对悬臂探针产生吸附力，因而使悬臂梁的力弹性常数明显软化，结果引起固有频率减小，梁的力弹性常数明显软化，结果引起固有频率减小，其振幅减小；反之如扫描经过凹陷部位时，其振幅增其振幅减小；反之如扫描经过凹陷部位时，其振幅增大。通过测量悬臂梁振动的振幅、相位或频率的改变大。通过测量悬臂梁振动的振幅、相位或频率的改变可以测量固有频率的变化。可以测量固有频率的变化。l图中反馈控制根据探针图中反馈控制根据探针针尖的振动情况的变化针尖的振动情况的变化而改变加在垂直而改变加在垂直Z向压电向压电晶体上的电压，从而使晶体上的电压，从而使振幅保持恒定，用驱动振幅保持恒定，用驱动电压变化来表征被测表电压变化来表征被测表面态的信息。面态的信息。l由于某针尖距样品较远，由于某针尖距样品较远，因此其图像横向分辨率因此其图像横向分辨率降低，一般为纳米级。降低，一般为纳米级。非接触模式的非接触模式的AFM用于用于生物样品方面，可避免生物样品方面，可避免划伤样品。划伤样品。2024/8/528图4-22为非接触模式的AFM原理示意框图。AFM的探针与样