Ступенчатые профилометры, являющиеся наиболее широко используемыми приборами для измерения поверхностной рельефности, благодаря своей простоте и комплексности принципа действия, а также удобству эксплуатации, получили широкое распространение как в производственных цехах, так и в метрологических лабораториях. В настоящей статье подробно рассматриваются история ступенчатых профилометров, их принцип работы, составные части, типы, а также преимущества и недостатки, что поможет читателю всесторонне ознакомиться с этим важным инструментом промышленных измерений.

Во время Второй мировой войны, чтобы обеспечить единообразие и высокое качество изготовления автомобилей, самолётов и вооружения в условиях массового производства, помимо размерных допусков требовалось также контролировать текстуру поверхностей деталей. Поскольку масштабы этой текстуры обычно не позволяли проводить надёжный визуальный контроль, возникла острая необходимость в создании новых измерительных приборов. Особенно при активном содействии компании Rolls‑Royce появилась потребность в разработке первого коммерческого профилометра. В этом деле внесли свой вклад такие инженеры и исследователи, как доктор Шмальц, Эрнест Дж. Абботт, Гарри Шоу, Джордж Томлинсон и Джон И. Ризон. Под руководством Марка Тейлора Джон Ризон спроектировал и разработал первый коммерческий независимый профилометр — Talysurf 1, который был выпущен в 1941 году.

Принцип работы ступенчатого профилометра относительно прост. Маленький наконечник контактирует с поверхностью и перемещается вдоль оси X. Вертикальное перемещение наконечника, обусловленное рельефом поверхности, фиксируется и усиливается. Ступенчатый профилометр обычно устанавливается на Z‑стойке, что позволяет позиционировать зонд над измеряемой деталью. Поперечный перемещающий узел перемещает зонд вдоль оси X, перпендикулярно оси Z. Гранитная основа служит эталонной плоскостью и одновременно опорой для измеряемой детали.

Контактный стержень и наконечник

Кончик зонда представляет собой наконечник, состоящий из крошечной сферы радиусом в несколько микрон. Эта сфера обычно изготавливается из твёрдых материалов, таких как алмаз или сапфир, и крепится к конической опоре. Вся конструкция образует коническую сферическую насадку.

Датчик

Ступенчатые измерители используют различные сенсорные технологии, включая:

Индуктивный датчик LVDT: наиболее распространённая сенсорная технология, измеряющая вертикальное перемещение наконечника за счёт перемещения ферритового сердечника между двумя катушками.

Ёмкостный датчик: на противоположном конце наконечника расположен контактный элемент, который перемещается между двумя электродами, создающими электрическое поле, тем самым изменяя ёмкость конденсатора.

Пьезоэлектрический датчик: применяется в устройствах начального уровня; по принципу действия напоминает звукосниматель граммофона — генерирует электрический ток под воздействием давления на пьезоэлемент.

Лазерный интерферометр: применяется в высококлассных и высокоточных ступенчатых измерителях, обеспечивая большую вертикальную амплитуду хода при сохранении чрезвычайно высокого разрешения.

Типы ступенчатых измерителей

Ступенчатый профилометр: некоторые модели оснащены скользящим блоком, принцип работы которого заключается в том, что широкая подушка контактирует с поверхностью и служит эталоном. Эта подушка выравнивает локальные неровности, позволяя наконечнику фиксировать отклонения между выровненной поверхностью и фактическим рельефом, тем самым приближённо оценивая шероховатость.

Лабораторный шагомер: лабораторные шагомеры обеспечивают более точные измерения, включая шероховатость, рябистость и отклонения формы. Все чаще такие приборы одновременно выполняют измерения текстуры поверхности и профиля.

Измерители низкого контактного усилия: некоторые из них предназначены для измерения микроэлектронных компонентов, а также даже кремниевых пластин. Эти крайне хрупкие поверхности требуют чрезвычайно малого контактного усилия, которое обеспечивается за счёт динамического регулирования силы.

Преимущества и недостатки ступенчатого прибора

Преимущества: ступенчатый измеритель — это широко известное оборудование, которое применяется в промышленности уже более пятидесяти лет, и его характеристики точно изучены. Длина измерения зависит лишь от поперечного перемещающего узла, который можно настраивать в соответствии с требованиями. Технология совместима с недорогими устройствами и может использоваться непосредственно в производственных цехах.

Недостатки: контакт с остриём может повредить поверхность, особенно при работе с хрупкими материалами. Из‑за угла между остриём и щупом измерение склонов в местах разломов — например, ступеней или отверстий — затруднено. Скорость измерения невелика: как правило, всего несколько сотен микрометров в секунду, максимум — несколько миллиметров в секунду, что делает данный метод непригодным для измерения площадей.

Степенеметр, будучи ключевым инструментом для измерения поверхностной топографии, несмотря на некоторые ограничения, благодаря широкому применению в промышленности и высокой точности по‑прежнему остаётся идеальным прибором для анализа текстуры поверхности. По мере развития технологий степенеметры постоянно совершенствуются, чтобы удовлетворять более широкие измерительные требования и повышать эффективность измерений.

Ступенчатый измеритель компании «ZEPTOOLS» позволяет проводить измерения толщины пленок и высоты ступеней, а также оценивать поверхностную морфологию, рельеф и шероховатость поверхности в микро‑ и наноструктурах. Он широко применяется в университетах, научно‑исследовательских лабораториях и институтах, а также в таких отраслях, как полупроводниковая и компаундная полупроводниковая промышленность, производство светодиодов высокой яркости, солнечная энергетика, микроэлектромеханические системы (MEMS), сенсорные экраны, автомобилестроение и медицинское оборудование. Долгое время этот рынок находился под монополией зарубежных производителей. Однако разработанные компанией «ZEPTOOLS» высокоточные ступенчатые измерители серии JS, благодаря прорывным ключевым технологиям, смогли преодолеть эту монополию и стали неотъемлемой частью процесса импортозамещения в полупроводниковой отрасли.