Для механических компонентов точный анализ поверхностных свойств материалов имеет ключевое значение; в настоящее время для этой цели применяется целый ряд высокоточных методов. Хотя неразрушающие и бесконтактные 2D‑ и 3D‑профилометры, а также оптические методы измерений широко распространены, во многих отраслях — особенно при работе с высокоотражающими материалами — по‑прежнему используются традиционные стилусные профилометры.

Схема ступенчатого прибора

Ступенчатый профилометр — это контактный тип профилометра, который определяет рельеф поверхности путём непосредственного контакта зонда (кончика стилуса) с измеряемой поверхностью и последующего его продвижения по заданной траектории. Данная методика была разработана на ранних этапах исследований поверхностных характеристик и в основном применяется для измерения высоты ступеней и размеров образцовых структур, формирующихся на поверхности.

Основные компоненты ступенчатого измерителя

Принцип работы сканирующего профилометра заключается в том, что подвижный зонд перемещается по поверхности, позволяя получать такие поверхностные характеристики, как высота. Этот процесс анализа поддерживается механической обратной связью, которая контролирует силу, приложенную зондом при его движении по образцу. Рука зонда управляется системой обратной связи при заданном крутящем моменте — так называемой точке настройки. По мере того как зонд следит за поверхностью, изменения в направлении z измеряются и используются для восстановления рельефа поверхности.

Консольный наконечник ступенчатого прибора является наиболее важной частью, поскольку именно он осуществляет физический контакт с измеряемой поверхностью. Размер наконечника зонда имеет крайне большое значение; в частности, радиус его наконечника должен быть очень малым, а контактное давление — низким. В качестве материала для наконечников зондов используются алмаз и сапфир; их форма обычно бывает сферической или конической.

Наконечник щупа шагомера

Преимуществом шагомера является возможность проведения измерений на больших расстояниях и чёткого анализа спектральной структуры шероховатости поверхности. Однако у него есть и ряд недостатков: износ контактного зонда вследствие физического контакта, возможное появление царапин на образце, невозможность измерения вязких образцов, длительность измерительного процесса, а также ограничения, обусловленные радиусом наконечника зонда. Подготовка образца и первоначальное позиционирование наконечника зонда на поверхности также представляют собой значительные трудности.

Ступенчатый прибор — традиционный метод анализа поверхностей, основанный на физическом контакте; многие исследователи изучали его с использованием различных методов калибровки. Например, Кён Чжун Ким и соавторы разработали новый метод калибровки, применяющий многослойные дельта‑мембраны. Этот метод также нашёл применение в медицинских исследованиях для определения точной формы поверхности; так, Массимилиано Мерло и др. изучали трибологические свойства головки бедренной кости тазобедренного сустава под воздействием металлических частиц.

Несмотря на свои ограничения, ступенчатый профилометр остаётся ценным инструментом для анализа поверхностных характеристик в области трибологии. Он обеспечивает чёткое представление о рельефе поверхности в самых разных областях применения, включая медицинские. Непрерывные исследования продолжают совершенствовать эту технологию и расширять её сферу применения.

Ступенчатый измеритель компании «ZEPTOOLS» позволяет проводить измерения толщины пленок и высоты ступеней, а также оценивать поверхностную морфологию, рельеф и шероховатость поверхности в микроскопических 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.