在工業(yè)表面紋理測量領(lǐng)域，觸針式輪廓儀仍是最常用的測量工具。為確保測量結(jié)果的準確性，需要定期使用ISO 5436-1標準定義的材料測具進行校準。這些校準過程涉及探針與材料測具之間的機械接觸，在重復(fù)測量中可能引起磨損，進而影響校準結(jié)果的可靠性。Flexfilm探針式臺階儀可以實現(xiàn)表面微觀特征的精準表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

先前的研究主要集中在儀器老化、污染、探針半徑變化等因素的影響，而對于材料測具和滑架探針在重復(fù)校準中的磨損行為，尚缺乏系統(tǒng)性的研究。特別是考慮到工業(yè)現(xiàn)場可能對同一材料測具進行數(shù)百甚至上千次測量，深入理解磨損效應(yīng)至關(guān)重要。

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實驗設(shè)計與方法

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測試樣品與探針配置

樣品核心表面紋理參數(shù)

研究選用兩種ISO 5436-1 C1型正弦材料測具：

M1：帶硬涂層的RNDX3

M2：帶鎳合金涂層的RNDH3

探針系統(tǒng)包括：

T0：無滑架參考探針

T1：加裝滑架的同一探針

T2系列：三種不同滑架材料的預(yù)配置滑架探針系統(tǒng)

實驗方案設(shè)計

研究設(shè)計了三種實驗場景：

場景A：模擬VDA 5標準流程，在10個橫向位置各進行25次測量，總測量次數(shù)1000次

場景B：在同一位置進行50-2000次連續(xù)測量，不提起探針

場景C：在同一位置進行25-2000次測量，每次測量后提起探針

評估方法

三種實驗類型（A、B、C）的測量策略

表面紋理參數(shù)評估遵循 ISO 標準，預(yù)處理步驟包括：直線擬合減名義形狀、lc 濾波（λc=0.8mm）、提取 4.0mm 中心評估長度，隨后計算 Ra、Rz、Rt（輪廓總高度）等參數(shù)。同時，通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)對比輪廓與初始輪廓的相似度，計算差異輪廓的 Rq（均方根高度）與標準差，量化磨損對輪廓的影響。

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A類研究：不同位置重復(fù)測量

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A1-A6 類研究結(jié)果

1000 次測量后，Ra、Rz 等參數(shù)無系統(tǒng)性變化（僅因位置差異有小幅散射，如灰塵影響）；但SEM觀察可見表面有10條軌跡及觸針放置點的輕微損傷，且這種損傷與觸針、量塊材料無關(guān)。

進一步分析 Rt、RSm（輪廓單元平均間距）、Rsk（偏斜度）、Rku（峰度）及峰谷相關(guān)參數(shù)（Rp、Rv 等），均無明顯趨勢；輪廓與初始輪廓的相關(guān)系數(shù)超 0.994，差異輪廓的 Rq 與標準差也無顯著變化 —— 說明雖有可見磨損，但未影響量塊的校準參數(shù)與輪廓基本特征。

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B類研究：同一位置不抬升重復(fù)測量

B7-B10 類研究結(jié)果

左：B 類研究結(jié)果；右：測量序列前后的 T2-1 滑架探頭及 T1、T2-1 觸針

僅 B9 實驗（T2-1 觸針 + M1-1 量塊，軟材料 + 較硬滑架）出現(xiàn)Ra、Rz 持續(xù)下降（正弦振幅因磨損減小），其他組合僅因灰塵有個別異常。SEM 顯示 B9 量塊峰部有明顯材料去除，B7 等實驗雖有可見磨損，但程度較輕。

Rt在 B7、B8 中略有下降，B9、B10 無變化；RSm恒定，B9 的 Rsk 暗示峰部變平；Rp 下降印證峰部磨損，Rv 恒定；輪廓與初始輪廓的相關(guān)系數(shù)仍超 0.996——說明 Ra、Rz 對磨損不敏感，僅特定材料組合的極端測量才會引發(fā)參數(shù)變化。此外，光學(xué)顯微鏡觀察到滑架磨損（形成橢圓形接觸表面），觸針尖（金剛石）無損傷。

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C類研究：同一位置抬升重復(fù)測量

C11-C12 類研究結(jié)果

C11（無涂層滑架）的參數(shù)無明顯趨勢，C12（帶涂層滑架）參數(shù)散射更顯著，SEM 顯示 C12 的磨損更嚴重 —— 說明滑架硬涂層會加劇量塊磨損。對比 B9（不抬升）與 C11（抬升），后者磨損顯著減輕，證明觸針抬升可減少磨損。

輪廓相關(guān)系數(shù)超 0.9999，差異輪廓參數(shù)無顯著變化；顯微鏡顯示 T2-3 滑架磨損更重，且因量塊磨損產(chǎn)生切屑 —— 進一步驗證滑架材料與抬升狀態(tài)對磨損的影響。

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硬度測量與模型驗證

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左：滑架探頭的硬度測量結(jié)果；右：實物量塊的硬度測量結(jié)果

硬度測試顯示：T2-1、T2-2 實際硬度與名義值吻合，T2-3 涂層未顯著提升硬度；所有量塊硬度（120~242HV）遠低于滑架（550~700HV），說明磨損主要發(fā)生在量塊。

將數(shù)據(jù)代入 Greenwood-Williamson 模型，塑性指數(shù)均超1（4.32~8.05），證明接觸為塑性變形；赫茲應(yīng)力計算顯示，即使最小載荷也超量塊屈服強度 —— 兩者均驗證了磨損的必然性。

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結(jié)果總結(jié)

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A 類：可見磨損不影響校準參數(shù)；

B 類：僅軟材料 + 不抬升觸針的極端測量引發(fā)參數(shù)下降；

C 類：滑架涂層加劇磨損，觸針抬升減輕磨損；

統(tǒng)計分析：12 次測量與 25 次（VDA 5 建議）的均值穩(wěn)定性相近，12 次可滿足需求且延長量塊壽命 2 倍以上。

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實踐建議與優(yōu)化措施

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基于研究結(jié)果，提出以下實用建議：

校準策略優(yōu)化

將校準測量次數(shù)從VDA 5推薦的25次減少至12次

采用DKD-R 4-2建議的方法：測量3條長輪廓，分割為12個評估位置

避免在同一位置進行重復(fù)測量

儀器操作規(guī)范

實施定期視覺檢查制度，及時發(fā)現(xiàn)表面磨損

采用ISO 3274標準規(guī)定的較低測量力（0.75mN）

在測量過程中保持探針提起動作

設(shè)備選型考慮

謹慎選擇滑架材料，硬涂層不一定能改善磨損情況

建立材料測具更換周期，基于實際使用頻率制定

本研究通過系統(tǒng)的實驗分析和理論驗證，揭示了觸針式輪廓儀校準中的磨損機制。主要結(jié)論包括：磨損的定性表現(xiàn)早于定量檢測，視覺檢查是有效的早期預(yù)警手段；極端負載條件（>1000次測量）才會導(dǎo)致顯著的參數(shù)變化；滑架與材料測具的材料組合是影響磨損的關(guān)鍵因素；通過優(yōu)化測量策略和操作規(guī)范，可顯著延長材料測具使用壽命。這些發(fā)現(xiàn)為工業(yè)現(xiàn)場的校準實踐提供了科學(xué)依據(jù)，有助于在保證測量可靠性的同時，降低校準成本和維護工作量。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺結(jié)合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

#臺階儀#觸針式輪廓儀#工業(yè)表面紋理測量

原文參考：《Wear analysis of material measures and stylus probes in repetitive tactile calibration》

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