表(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)與(yu)零件(jian)表(biao)面功能(neng)有著密切(qie)的(de)關系,因此人(ren)們(men)在很早(zao)(zao)以前就認識到(dao)測(ce)量表(biao)面粗(cu)糙度(du)(du)的(de)重要性。但由于技(ji)(ji)術(shu)工藝水平的(de)落后,*早(zao)(zao)只(zhi)能(neng)單純(chun)依靠人(ren)的(de)視覺和(he)觸覺來估計,即通過目(mu)測(ce)或用手(shou)觸摸試件(jian)與(yu)標準樣塊(kuai)進(jin)行比(bi)較,隨著生產技(ji)(ji)術(shu)的(de)發展,人(ren)們(men)又采用了比(bi)較顯微鏡進(jin)行比(bi)對。

這(zhe)些原始的測量方法只能對表(biao)面(mian)微觀不平度做(zuo)出定性(xing)的綜合(he)評定。自從1929年德國(guo)的施馬爾茨(SchmaltZ)發明了用光杠桿進行放(fang)大的表(biao)面(mian)輪廓記錄儀后,人們(men)就(jiu)一直致力于表(biao)面(mian)質量檢測技術的研究,從此開始了對表(biao)面(mian)粗(cu)糙度的數量化(hua)描(miao)述。

1936年艾博特(Abbott)制成了**臺(tai)車間用測量表(biao)(biao)面粗(cu)糙度(du)的(de)(de)儀器,它是現在美國Bend公司測微計分(fen)廠生產(chan)的(de)(de)表(biao)(biao)面輪(lun)廓儀的(de)(de)先(xian)驅(qu)。這種儀器用測量距離輪(lun)廓峰頂(ding)的(de)(de)深度(du)與支承(cheng)面積比的(de)(de)關系曲(qu)(qu)線即艾傅特曲(qu)(qu)線來表(biao)(biao)征表(biao)(biao)面粗(cu)糙度(du)。

測量(liang)和(he)評(ping)定(ding)表面形(xing)貌(mao)的(de)通用(yong)方(fang)法(fa)是輪廓(kuo)(kuo)法(fa),這種方(fang)法(fa)只需(xu)測量(liang)工件(jian)表面上(shang)的(de)幾個(ge)截面輪廓(kuo)(kuo),然(ran)后再根(gen)據輪廓(kuo)(kuo)曲線上(shang)的(de)幾何(he)特征計(ji)算出評(ping)定(ding)表面質(zhi)量(liang)的(de)粗(cu)糙(cao)度(du)(du)參數,目前世(shi)界各國有(you)關(guan)表面粗(cu)糙(cao)度(du)(du)的(de)標準都是根(gen)據輪廓(kuo)(kuo)法(fa)制定(ding)出來的(de)。現(xian)在常用(yong)的(de)表面輪廓(kuo)(kuo)測量(liang)方(fang)法(fa)有(you)很多,如(ru)觸(chu)針方(fang)法(fa)、各種光學方(fang)法(fa) 和(he)掃(sao)描探針顯微鏡技術等。

隨著現代工業的(de)飛(fei)速發(fa)展,對零件的(de)加工表面(mian)質量(liang)提出了越來(lai)越高的(de)要(yao)求,而掃描(miao)探針(zhen)(zhen)顯微鏡技術(shu)、高精度(du)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)測量(liang)儀(yi)(yi)器(qi)的(de)發(fa)展和數(shu)據(ju)處理能力(li)的(de)提高,使得三(san)維(wei)表面(mian)微觀形貌(mao)的(de)測量(liang)成(cheng)為可能。近年來(lai),由(you)于計算機技術(shu)、電子技術(shu)、數(shu)據(ju)處理能力(li)的(de)提高,研制了許多(duo)三(san)維(wei)表面(mian)微觀形貌(mao)測量(liang)儀(yi)(yi),使得在(zai)局部表面(mian)上(shang)三(san)維(wei)評(ping)定表面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)成(cheng)為可行,而且國際上(shang)方(fang)興未(wei)艾。下(xia)面(mian)將介紹(shao)幾種典型的(de)檢測方(fang)法(fa):一(yi)接(jie)觸(chu)(chu)式(shi)測量(liang)法(fa)*廣(guang)泛應用的(de)接(jie)觸(chu)(chu)式(shi)測量(liang)儀(yi)(yi)是觸(chu)(chu)針(zhen)(zhen)式(shi)輪廓儀(yi)(yi)。觸(chu)(chu)針(zhen)(zhen)式(shi)側量(liang)法(fa)自(zi)1927年以來(lai)就一(yi)直被采用,目前仍然被廣(guang)泛地用于表面(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)測量(liang),而且用它(ta)(ta)所獲(huo)得的(de)結果經常作為評(ping)價其它(ta)(ta)方(fang)法(fa)的(de)參考標準。

觸針法(fa)是測量表面(mian)(mian)微觀形(xing)貌(mao)(mao)的傳(chuan)統方法(fa),該(gai)方法(fa)可直(zhi)接獲(huo)得被(bei)測表面(mian)(mian)某一(yi)截(jie)面(mian)(mian)的輪(lun)廓(kuo)曲線,通過計算機處理,可得出(chu)接近真實輪(lun)廓(kuo)參數的各種表面(mian)(mian)特征(zheng)參數;但其(qi)測量結果帶有(you)一(yi)定(ding)的片面(mian)(mian)性(xing)和偶然性(xing),而且也不可能完整的描述和反映整個表面(mian)(mian)形(xing)貌(mao)(mao)的幾何特征(zheng)。

傳(chuan)統(tong)的(de)(de)觸針式(shi)輪廓儀(yi)只(zhi)能測量二(er)(er)維(wei)輪廓參(can)數,80年代以來,隨著產品(pin)表(biao)面質量要求的(de)(de)提高,有了對三維(wei)形貌檢測的(de)(de)需要,國內外對傳(chuan)統(tong)的(de)(de)二(er)(er)維(wei)觸針儀(yi)進行了改進。傳(chuan)統(tong)二(er)(er)維(wei)接觸式(shi)輪廓儀(yi)只(zhi)有x方向和z方向兩個(ge)自由度 。

如果加(jia)上y方向(xiang)的一(yi)維(wei)(wei)移動,便能進行簡單的三(san)維(wei)(wei)測(ce)量。國(guo)內還沒(mei)有這類成熟的產(chan)品,國(guo)際上*為有名的是(shi)英國(guo)RankTayrHobson公(gong)司,他們(men)經過數十(shi)年的研究成功地推出了(le)一(yi)系(xi)列(lie)比(bi)較成熟的產(chan)品,并(bing)在生(sheng)產(chan)實際中獲得了(le)廣泛的應用,其代表(biao)產(chan)品是(shi)Ta刃orscan3D scanner型具(ju)有高速掃(sao)描頭的表(biao)面(mian)三(san)維(wei)(wei)輪廓儀。它們(men)一(yi)般(ban)采用金剛石探針掃(sao)描被測(ce)表(biao)面(mian),其橫向(xiang)和(he)縱向(xiang)分辨率可(ke)達ZOnnl和(he)0.1~甚至(zhi)更高。

這種方法(fa)的(de)(de)優點是(shi):測(ce)量范圍大(da)、分辨率高、測(ce)量結(jie)果穩(wen)定可靠、重(zhong)復(fu)性(xing)好(hao)。但是(shi)接觸式測(ce)量有其難以克服的(de)(de)缺點:

(1)為了使(shi)測頭不(bu)(bu)至于很(hen)(hen)快磨損,測頭的硬度一般(ban)都很(hen)(hen)高,這樣測量(liang)時勢(shi)必會劃傷被(bei)測表(biao)面,所(suo)以不(bu)(bu)易測量(liang)高質(zhi)量(liang)和(he)軟質(zhi) 表(biao)面;

(2)測(ce)頭的(de)(de)頭部為了保證(zheng)耐磨(mo)性并保持剛性而(er)不可能做(zuo)得(de)非常細(xi)小(xiao)、尖銳,那么如果側頭頭部曲(qu)率半(ban)徑(jing)大于被(bei)測(ce)表面上微觀凹坑(keng)的(de)(de)半(ban)徑(jing)必然(ran)造成(cheng)該處測(ce)量(liang)數據的(de)(de)偏(pian)差(cha),使測(ce)得(de)的(de)(de)形貌與實際 形貌不吻合,從而(er)影響測(ce)量(liang)精度;

(3)測量三(san)維(wei)表面(mian)時,為了保證掃描方(fang)向上(shang)的精度(du)及分辨率,進給步距必須(xu)很,卜,這樣必然大大降低測量速度(du)。

二非(fei)接(jie)(jie)觸(chu)式測量(liang)法(fa)2o世(shi)紀so年代,由于(yu)光(guang)學技術被引入表面形貌測量(liang),從而(er)實現了非(fei)接(jie)(jie)觸(chu)式測*。該技術由于(yu)克服(fu)了接(jie)(jie)觸(chu)式測*的諸多(duo)(duo)缺點(dian)而(er)成為近年來的研究熱點(dian),它是(shi)光(guang)、機、電(dian)、磁等多(duo)(duo)學科(ke)交(jiao)叉形成的一個綜合體。它的特點(dian)是(shi)通過將(jiang)表面微觀(guan)輪廓的高度信息轉換為光(guang)、聲、電(dian)等易于(yu)測*的信號,從而(er)達到測量(liang)的目的。

1.光(guang)學(xue)測(ce)童法(fa)(fa)光(guang)學(xue)測(ce)量(liang)(liang)法(fa)(fa)是基于光(guang)學(xue)原(yuan)理的(de)非接(jie)觸(chu)(chu)測(ce)*法(fa)(fa)。該法(fa)(fa)不僅可以實(shi)現表面(mian)形貌(mao)的(de)高精(jing)度的(de)快(kuai)速非接(jie)觸(chu)(chu)測(ce)量(liang)(liang),而且系統結構(gou)簡單、成本(ben)低,在(zai)表面(mian)非接(jie)觸(chu)(chu)測(ce)量(liang)(liang)領域得(de)到了廣泛(fan)應(ying)用。它包括光(guang)學(xue)探針法(fa)(fa)和干(gan)涉(she)法(fa)(fa)。1951年(nian)(nian)聯(lian)邦德國奧普托廠(chang)生(sheng)產出(chu)測(ce)量(liang)(liang)表面(mian)粗糙度的(de)干(gan)涉(she)顯(xian)微鏡,1958年(nian)(nian)蘇聯(lian)生(sheng)產出(chu)性能(neng)良好的(de)MNN一4型(xing)干(gan)涉(she)顯(xian)微鏡,1968年(nian)(nian)我國上海光(guang)學(xue)儀器廠(chang)生(sheng)產出(chu)6J型(xing)干(gan)涉(she)顯(xian) 微鏡。

2.掃描探針顯(xian)徽(hui)鏡技術1981年,IBM公司蘇(su)黎世實驗室發明了(le)(le)一種新型的(de)(de)(de)(de)表面分析儀器—掃描隧道顯(xian)微鏡(sc~ingTunn山ngMierosc叩e,sTM)。在此(ci)后的(de)(de)(de)(de)短短幾(ji)年里,它以獨特的(de)(de)(de)(de)性能激起了(le)(le)世界各國科學家(jia)的(de)(de)(de)(de)極(ji)大興趣和熱情。在8o年代,相繼誕(dan)生了(le)(le)一系(xi)列在主要結構(gou)和工作(zuo)方(fang)式(shi)方(fang)面與(yu)STM相似的(de)(de)(de)(de)顯(xian)微儀器,用來(lai)獲取用STM無法獲取的(de)(de)(de)(de)有關(guan)表面結構(gou)和性質的(de)(de)(de)(de)各種信息。這個目前被稱為(wei)“掃描探針顯(xian)微鏡的(de)(de)(de)(de)顯(xian)微儀器家(jia)族還在不斷發展,成(cheng)為(wei)人類認識微觀世界的(de)(de)(de)(de)有力(li)工具(ju)。

掃(sao)描探針(zhen)(zhen)顯微鏡可以在納米級乃至原子級的水平上研(yan)究物質表(biao)面原子和分子結(jie)構及相(xiang)關的物理、化學(xue)性質。下(xia)面將介(jie)紹幾(ji)種有代表(biao)性的掃(sao)描探針(zhen)(zhen)顯微鏡

。①掃描(miao)隧道(dao)顯徽(hui)鏡掃描(miao)隧道(dao)顯微鏡(sTM)的工作原理是基(ji)于*子(zi)力學的隧道(dao)效應。它主要由壓電(dian)陶瓷(ci)掃描(miao)控(kong)制器、針尖樣(yang)品逼(bi)近(jin)裝里、電(dian)子(zi)反(fan)饋回路以及數據采集、圖象處理系(xi)統組成。STM具有原子(zi)級的極高分辨(bian)(bian)率,其橫向與縱向分辨(bian)(bian)率分別達(da)到0.1~和o.olnm即可(ke)以分辨(bian)(bian)出單(dan)個原子(zi)。但其局限性在于:被測件必須導電(dian),垂直和水平(ping)測蚤范圍小,此外,若表(biao)面形(xing)(xing)貌的波長或峰、谷差太?小,在復制表(biao)面時,高分子(zi)膜難以滲入,不能正確反(fan)映(ying)表(biao)面真實(shi)形(xing)(xing)貌。

②原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)力顯(xian)微(wei)(wei)(wei)鏡為解決(jue)非導體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表面(mian)(mian)(mian)(mian)微(wei)(wei)(wei)觀形貌的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢測(ce)(ce)(ce)(ce),1986年(nian)Binn誼g等人發明了(le)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)力顯(xian)微(wei)(wei)(wei)鏡,它是(shi)利用原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)作用力而(er)進行測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。AFM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)工作原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)理圖(tu)如圖(tu)1所示(shi)。當測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)時,AFM的(de)(de)(de)(de)(de)(de)探(tan)針(zhen)(zhen)被微(wei)(wei)(wei)力彈(dan)**壓向試件表面(mian)(mian)(mian)(mian),探(tan)針(zhen)(zhen)**和(he)試件表面(mian)(mian)(mian)(mian)間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)排斥(chi)力將探(tan)針(zhen)(zhen)微(wei)(wei)(wei)微(wei)(wei)(wei)抬(tai)起,達到力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)平衡(heng)。AFM探(tan)針(zhen)(zhen)在(zai)試件表面(mian)(mian)(mian)(mian)掃描時,因微(wei)(wei)(wei)力彈(dan)簧的(de)(de)(de)(de)(de)(de)壓力基本(ben)不(bu)變(bian),故探(tan)針(zhen)(zhen)將隨被測(ce)(ce)(ce)(ce)表面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)起伏而(er)上下波動。通過用隧道電流或光學方法檢測(ce)(ce)(ce)(ce)微(wei)(wei)(wei)懸臂(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)位移,可實現對探(tan)針(zhen)(zhen)**原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)與(yu)表面(mian)(mian)(mian)(mian)原(yuan)(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)之間(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)排斥(chi)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)監(jian)測(ce)(ce)(ce)(ce),進而(er)可測(ce)(ce)(ce)(ce)出試件表面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)(wei)觀形貌。由于不(bu)需要在(zai)探(tan)針(zhen)(zhen)與(yu)樣品(pin)間(jian)形成(cheng)電回(hui)路,突破了(le)試件必須導電的(de)(de)(de)(de)(de)(de)限制,這使AFM有了(le)更加廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)應用領域,但其測(ce)(ce)(ce)(ce)量(liang)分(fen)辨(bian)率較sTM了(le)氏。Binning等人研制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)**臺AFM當時只(zhi)有 3nm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)橫向分(fen)辨(bian)率。

1987年斯坦福大學(xue)Quate等人報道(dao)了研(yan)制(zhi)的(de)AFM達到了原(yuan)(yuan)子級分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)。1988年底(di)中科院化(hua)學(xue)所研(yan)制(zhi)成功國內首臺具有(you)原(yuan)(yuan)子級分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)的(de)AFM。光學(xue)檢側呂圈(quan)定峪XYZ壓電肉充掃貓移反債拉(la)側掃描發生呂1示呂圈(quan)1AFM工作原(yuan)(yuan)理圈(quan)

③其它(ta)掃(sao)描(miao)顯(xian)微(wei)鏡(jing)掃(sao)描(miao)力(li)顯(xian)微(wei)鏡(jing)(sFM)是(shi)在(zai)STM基礎上發展起來(lai)(lai)的(de)(de)(de),它(ta)通(tong)(tong)過(guo)測(ce)盤(pan)帶尖的(de)(de)(de)力(li)敏(min)感元(yuan)件與樣(yang)品表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)局部區域的(de)(de)(de)相互作用力(li)來(lai)(lai)獲得高(gao)(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)圖(tu)像。激(ji)光力(li)顯(xian)微(wei)鏡(jing)、磁力(li)顯(xian)微(wei)鏡(jing)等雖然采用不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)測(ce)量原(yuan)理,但都是(shi)通(tong)(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)探針和(he)樣(yang)品表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)之間(jian)的(de)(de)(de)物理化學特性參(can)量來(lai)(lai)獲知樣(yang)品表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微(wei)觀形貌的(de)(de)(de),在(zai)此(ci)不(bu)(bu)再贅述。三結論掃(sao)描(miao)探針力(li)顯(xian)微(wei)鏡(jing)技術的(de)(de)(de)迅速發展,為(wei)超精(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗糙度的(de)(de)(de)測(ce)量,提供了更先進的(de)(de)(de)測(ce)t手段,它(ta)不(bu)(bu)僅(jin)使(shi)測(ce)量精(jing)(jing)度達到了納米數(shu)*級,而且能(neng)夠得到加(jia)工(gong)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)真實的(de)(de)(de)三維圖(tu)像,從而完整**地反映出樣(yang)品表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)功能(neng)特性。它(ta)克服了傳統(tong)(tong)測(ce)量方(fang)法如光切(qie)法、接觸式測(ce)量法測(ce)量精(jing)(jing)度低的(de)(de)(de)弱點,能(neng)以相當(dang)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)探測(ce)加(jia)工(gong)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)原(yuan)子和(he)分(fen)子的(de)(de)(de)微(wei)觀形貌。目前(qian),超精(jing)(jing)密(mi)加(jia)工(gong)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)形貌的(de)(de)(de)測(ce)t技術主(zhu)要是(shi)向(xiang)提高(gao)(gao)系統(tong)(tong)橫向(xiang)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)、三維形貌測(ce)*和(he)在(zai)線檢(jian)測(ce)方(fang)向(xiang)發展,并且對三維表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微(wei)觀形貌的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)征方(fang) 法和(he)評(ping)定(ding)參(can)數(shu)的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)越來(lai)(lai)越迫切(qie)。