Flexfilm探針式臺階儀作為表面形貌測量的精密儀器，能夠依據(jù)最新的ISO 21920系列標準實現(xiàn)表面微觀特征的精準表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測量。該設(shè)備通過高精度探針掃描技術(shù)，可精確測定樣品的表面臺階高度與薄膜厚度，為材料質(zhì)量控制和生產(chǎn)工藝優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

本文將系統(tǒng)闡述ISO 21920 - 2:2021與舊版ISO 4287:1996在表面輪廓分析標準方面的主要技術(shù)演進。這些標準變更不僅反映了表面測量技術(shù)的最新發(fā)展，更體現(xiàn)了現(xiàn)代制造業(yè)對精確計量提出的新要求。

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標準更新背景

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2021年12月，ISO發(fā)布了全新的表面結(jié)構(gòu)標準ISO 21920，該標準分為三個部分，取代了多個自1990年代末期沿用至今的舊標準，包括：

ISO 1302:2002（ 解釋了如何在圖紙上指定表面紋理）→ ISO 21920-1

ISO 4287:1997（描述了主要輪廓參數(shù)（Ra、Wa 等））→ ISO 21920-2

ISO 4288:1996（解釋了如何應(yīng)用參數(shù)和選擇截止值）→ ISO 21920-3

ISO 3274（描述了測針輪廓儀的基本要求）→ ISO 21920

ISO 12179（解釋了如何校準測針輪廓儀）→ ISO 21920

發(fā)布的ISO 25178 標準確立了新的表面紋理通用標準，其最初針對的是面積表面紋理。如今，將同樣的概念應(yīng)用于輪廓表面紋理并對其進行修訂或替換是合理的。ISO TC213 工作組WG16決定將現(xiàn)有的型材標準統(tǒng)一為一個由三部分組成的現(xiàn)代標準，稱為ISO 21920。

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新的基準符號

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為了區(qū)分新舊標準，ISO 21920 引入了一個新的基準符號，在原有三角形符號的左上方增加了一個小線段。這與面測量符號（ISO 25178-1 中定義的傾斜小正方形）類似，旨在明確標識采用新標準的規(guī)范。

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處理流程順序的變化

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在舊標準 ISO 4287 中，原始輪廓的獲取順序為：名義形狀去除 → λs 濾波器。而在 ISO 21920 中，這一順序被倒置為：S-濾波器 → 名義形狀去除，以便與面測量方法保持一致。盡管對大多數(shù)輪廓影響不大，但對于含有形狀誤差的輪廓，參數(shù)值可能出現(xiàn)顯著差異。

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參數(shù)計算方式的改變

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基于評估長度的參數(shù)計算

ISO 4287：參數(shù)值為各采樣長度上估計值的平均值（默認5段）。

ISO 21920：參數(shù)值為在整個評估長度上計算的單一值。

這一變化旨在簡化計算過程，但對某些參數(shù)（如 Rsk、Rku）的穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響。

峰值參數(shù)仍基于分段長度

唯一保留平均值計算的是峰值參數(shù)，它們在分段長度（相當于舊版中的采樣長度）上計算，包括：Rp, Rpt, Rv, Rvt, Rz, Rzx 等；對應(yīng)舊標準中的 Rmax（VDA 2006）。

峰谷檢測方法的明確化

新標準對峰谷的識別過程進行了更詳細的定義：

首先在整個評估長度上檢測所有峰和谷；

然后在各分段長度上計算參數(shù)；

某些分段可能沒有峰或谷，導(dǎo)致平均時所使用的分段數(shù)量不一致。

這一點在波紋輪廓的峰值參數(shù)計算中尤為關(guān)鍵。

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輪廓元素檢測方法的改進(Rsm)

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ISO 21920 采用 ISO 16610-45 中定義的“穿線法”進行輪廓元素分割，以計算 Rsm 參數(shù)。這種方法能更準確地識別輪廓單元，提升間距參數(shù)的可重復(fù)性。

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判定規(guī)則的變更

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舊標準中默認的“16%規(guī)則”（T16%）被替換為“最大值規(guī)則”（Tmax）：

Tmax：所有測量值都必須小于公差（新默認規(guī)則）；

T16%：仍可用，但需在圖紙中明確說明；

Tmed：基于中位數(shù)的判定方法，適用于大批量測量。

這一變化使判定過程更直觀，但也可能導(dǎo)致同一批樣品在不同標準下得出不同的合格結(jié)論。

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基于設(shè)置等級的新的默認設(shè)置方法

舊標準 ISO 4288 的截止波長選擇流程存在三個問題：

需要多次測量，成本高；

違背了 GPS 的獨立性原則；

對周期性和非周期性輪廓采用不同流程。

ISO 21920-3 引入了“設(shè)置等級”概念，根據(jù)圖紙上的公差值直接確定默認的截止波長等設(shè)置。該方法僅適用于少數(shù)參數(shù)，對于其他參數(shù)或特殊情況，用戶仍需進行相關(guān)性研究以確定合適的截止值。盡管更統(tǒng)一，但其閾值設(shè)定仍顯得復(fù)雜且缺乏明確依據(jù)。

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參數(shù)值的預(yù)期差異

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通過對101個機械零件輪廓的實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：

某些參數(shù)（如 Rq）在兩個標準間相關(guān)性很高（R2 = 99.9%）；

而其他參數(shù)（如 Rsm、Rsk）的相關(guān)性較低（R2 分別為 84.1% 和 66.4%）。

工業(yè)用戶若計劃轉(zhuǎn)向新標準，需對圖紙公差進行調(diào)整研究。

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總結(jié)：ISO 21920 的主要變化

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新的基準符號；

F-操作與 S-濾波器順序倒置；

參數(shù)基于評估長度計算（不再平均），峰值參數(shù)除外；

默認判定規(guī)則改為 Tmax；

引入設(shè)置等級流程；

采用新的輪廓元素分割算法（Rsm）；

新增體積參數(shù)與特征參數(shù)（基于分水嶺分割）；

其他少量細節(jié)更新。

ISO 21920 系列標準的發(fā)布標志著表面結(jié)構(gòu)測量進入了一個更現(xiàn)代、與面測量更統(tǒng)一的階段。盡管存在過渡期的挑戰(zhàn)，但新標準更適應(yīng)當前制造技術(shù)與測量設(shè)備的發(fā)展。設(shè)計、計量、研究與教育領(lǐng)域的相關(guān)人員都應(yīng)盡快熟悉新標準，理解其與舊版之間的差異，以確保測量的一致性與準確性。隨著ISO 21920系列標準的逐步推廣，Flexfilm探針式臺階儀將繼續(xù)為各行業(yè)用戶提供符合國際規(guī)范的測量解決方案，助力企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動表面計量技術(shù)向更精確、更規(guī)范的方向發(fā)展。

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。在標準應(yīng)用層面，Flexfilm臺階儀的測量流程完全符合ISO 21920新標準的規(guī)定。

原文參考：《Differences between ISO 21920-2 and ISO 4287》

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