在工業表面紋理測量領域，觸針式輪廓儀仍是最常用的測量工具。為確保測量結果的準確性，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，在重復測量中可能引起磨損，進而影響校準結果的可靠性。Flexfilm探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

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校準中的磨損行為，尚缺乏系統性的研究。特別是考慮到工業現場可能對同一材料測具進行數百甚至上千次測量，深入理解磨損效應至關重要。

1

實驗設計與方法

flexfilm

測試樣品與探針配置

樣品核心表面紋理參數

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配置滑架探針系統

實驗方案設計

研究設計了三種實驗場景：

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1000次

場景B：在同一位置進行50-2000次連續測量，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

表面紋理參數評估遵循 ISO 標準，預處理步驟包括：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。同時，通過皮爾遜相關系數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。

2

A類研究：不同位置重復測量

flexfilm

A1-A6 類研究結果

1000 次測量后，Ra、Rz 等參數無系統性變化（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。

進一步分析 Rt、RSm（輪廓單元平均間距）、Rsk（偏斜度）、Rku（峰度）及峰谷相關參數（Rp、Rv 等），均無明顯趨勢；輪廓與初始輪廓的相關系數超 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與輪廓基本特征。

3

B類研究：同一位置不抬升重復測量

B7-B10 類研究結果

左：B 類研究結果；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Ra、Rz 持續下降（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系數仍超 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參數變化。此外，光學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。

3

C類研究：同一位置抬升重復測量

C11-C12 類研究結果

C11（無涂層滑架）的參數無明顯趨勢，C12（帶涂層滑架）參數散射更顯著，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。

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

4

硬度測量與模型驗證

flexfilm

左：滑架探頭的硬度測量結果；右：實物量塊的硬度測量結果

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），說明磨損主要發生在量塊。

將數據代入 Greenwood-Williamson 模型，塑性指數均超1（4.32~8.05），證明接觸為塑性變形；赫茲應力計算顯示，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。

5

結果總結

flexfilm

A 類：可見磨損不影響校準參數；

B 類：僅軟材料 + 不抬升觸針的極端測量引發參數下降；

C 類：滑架涂層加劇磨損，觸針抬升減輕磨損；

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

6

實踐建議與優化措施

flexfilm

基于研究結果，提出以下實用建議：

校準策略優化

將校準測量次數從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測量

儀器操作規范

實施定期視覺檢查制度，及時發現表面磨損

采用ISO 3274標準規定的較低測量力（0.75mN）

在測量過程中保持探針提起動作

設備選型考慮

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。主要結論包括：磨損的定性表現早于定量檢測，視覺檢查是有效的早期預警手段；極端負載條件（>1000次測量）才會導致顯著的參數變化；滑架與材料測具的材料組合是影響磨損的關鍵因素；通過優化測量策略和操作規范，可顯著延長材料測具使用壽命。這些發現為工業現場的校準實踐提供了科學依據，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

flexfilm

在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，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，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合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

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，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，保證材料質量、提高生產效率。

#臺階儀#觸針式輪廓儀#工業表面紋理測量

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

*特別聲明：本公眾號所發布的原創及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞行業相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，如涉及版權問題，敬請聯系，我們將在第一時間核實并處理。