Ступенчатый прибор относится к контактным устройствам для измерения рельефа поверхности; он обеспечивает контакт между зондом с очень малым радиусом кривизны и поверхностью образца, перемещает зонд, регистрирует изменения силы контакта и регулирует высоту зонда, что позволяет получить информацию о рельефе образца. С помощью данного метода можно получить данные о неровностях поверхности вдоль траектории перемещения зонда, на основе которых анализируются такие параметры, как шероховатость поверхности и степень искривления. Оборудование широко применяется в таких отраслях, как производство сенсорных экранов, полупроводников, солнечных элементов, сверхярких светодиодов (LED), медицина, материаловедение, а также в университетах, научно‑исследовательских институтах, микроэлектронике и металлообработке, для выполнения измерений поверхностного рельефа с разрешением на уровне нанометров.

Ручной ступенчатый измерительный прибор JS10B компании ZEPTOOLS

Полуавтоматический ступенчатый прибор Zeyou Technology JS100B

Автоматический ступенчатый измеритель JS2000B компании ZEPTOOLS

Принцип измерения прибора для измерения шероховатости заключается в следующем: когда контактная игла плавно скользит по поверхности исследуемого образца, наличие на ней микроскопических выступов и впадин приводит к тому, что игла при движении совершает дополнительно вертикальные колебания вдоль этих рельефных элементов. Характер движения иглы отражает состояние поверхностного профиля. Электрический сигнал, выходящий из датчика, после прохождения измерительного моста преобразуется в амплитудно‑модулированный сигнал, пропорциональный смещению иглы от положения равновесия. После усиления и фазовой демодуляции этот сигнал позволяет выделить из амплитудно‑модулированного сигнала медленно меняющуюся составляющую, которая является усилением и пропорциональна перемещению иглы. Далее, с помощью фильтра шумов и фильтра волнового рельефа производится дополнительная фильтрация, направленная на устранение влияния модулирующих частот, внешних помех и других факторов, таких как волновой рельеф, на результаты измерения шероховатости. На рис. 1 представлены различные модели приборов для измерения шероховатости компании «ZEPTOOLS».

В зависимости от используемого датчика контактное измерение шагов подразделяется на три типа: емкостный, пьезоэлектрический и оптико‑электронный. Емкостный метод применяет в качестве чувствительного элемента емкостный датчик перемещения; он обладает высокой точностью измерений и большим отношением сигнал/шум, однако требует сложной схемотехнической обработки. В пьезоэлектрическом варианте чувствительным элементом служит пьезокристалл, отличающийся высокой чувствительностью и простотой конструкции. Оптико‑электронный метод представляет собой относительно новый тип измерительных приборов; он основан на регистрации изменений величины перемещения посредством фотодетекторов, реагирующих на изменения светового потока, проходящего через узкую щель. Сравнение принципов работы оптических и емкостных датчиков приведено на рис. 2.

Рис. 2 Сравнительная схема принципов работы оптического и индуктивного датчиков

В процессе эксплуатации ступенчатого измерителя именно контакт между измерительным наконечником и измеряемой деталью приводит к деформации и износу наконечника, вследствие чего точность измерений со временем снижается. Для обеспечения износостойкости и жёсткости измерительный наконечник не может быть чрезвычайно тонким и острым; если радиус кривизны головки наконечника превышает радиус микроскопических впадин на измеряемой поверхности, это неизбежно приведёт к появлению погрешностей в данных измерений в соответствующей точке, поэтому… Чтобы измерительный наконечник не подвергался быстрому износу, его твёрдость обычно весьма высока.