三维表面微观形貌的测量方法

2000年8月宇航计测技术第20卷 第4期

三维表面微观形貌的测量方法

李成贵 李行善 强锡富

文 摘 分析了表面结构的形成过程及其分类,介绍了目前在3D微观形貌测量过程中广泛使用的触针法、扫描探针显微镜和几种光学方法的基本原理、测量范围、分辨力等特性。最后指出了3D分析技术的现状和将来的发展趋势。*

主题词 +表面形貌 三维测量 发展趋势

1 引 言

工程表面的许多性能是由表面形貌决定的,粗糙度、波纹度、表面结构等几何形状的测量和表征是形貌计量学的范畴之一。

表面形貌的测量始于30年代初,当时研制的第一台仪器是根据容易测量的峰谷高度信息而设计,并提供了简单的图像。随后在英国和德国迅速研制了类似的仪器,能够计算平均表面粗糙度参数。这些仪器使用简单的2RC滤波技术移去较长的波长成份(形状和波纹度)。在60年代后期数字计算机的出现,使得表面分析明显增多,数字技术被首次用于描述表面参数。这些参数被随机地引进,试图在操作环境里描述表面特征的功能意义,结果导致了所谓的/参数爆炸0,后来发现许多参数并没有什么实际意义。

表面分析的首次开创性工作是1968年在牛津大学举行的/工程表面的性能及其计量0国际会议[1],会议论文集变成了最初的表面结构测量的/珍贵标准0。1991年由英国伯明翰大学计量研究组发起并组织的/工程表面的计量学和性能0国际会议在英国Leicester大学召开[2],表明了有意义的基础性研究,已开始转向工业上感兴趣的3D表面测量的分析和实验研究。2 表面结构

表面的几何形状通常被认为是表面结构,这个结构是由所定义的粗糙度、波纹度和形状特征组成的。定量测量表面/微观0结构时,只分析粗糙度,波纹度和形状成分被采用机械、电收稿:2000-01-15

*修回:2000-03-28国家博士后科学基金资助项目

**北京航空航天大学自动化学院,副教授,博士,男,36岁,100083)

气或数字的方式从所记录的数据中滤

除。

图1给出了表面滤波前轮廓的结

构,也给出了滤除波纹度、形状误差后

的粗糙度表示。有些标准(DIN4760)把

表面结构进一步分成六类:形状、波纹

度和称之为一、二、三、四阶轮廓偏差的

粗糙度。粗糙度、波纹度和形状特征之

间的差异是基于表面波长或峰与峰之

间的间距。这些传统定义的最大问题是

粗糙度变成小波纹度(截止波长)的分界点是随意的,而且与工件的制造过程、功能和尺寸有关。如:在汽车轴上认为是粗糙度,在钟表的主轴上可能认为是波纹度或形状误差。

粗糙度主要由制造方法所产生,如机床、刀具和砂轮等,通常具有周期性;在精细的尺度上存在材料撕裂,或由加工边缘和工具刀尖造成的不规则性。波纹度是单独由机床引起,如不平衡的磨削轮、工具进给的不规则性和不断的震颤。形状误差通常是在加工过程中由工件刚度不够造成弯曲而引起,导轨的波动、热引起的材料弯曲或表面残余应力,也能引起弯曲和形状误差。通常形状误差在所评定的表面长度上只产生一个或两个波动。

一般地,开始加工的表面是理想的,随后却有周期性。由于刀具磨损,在实际中没有任何制造过程会保持恒定。因而在制造和性能之间存在一个中介过程)))测量。测量监控着影响表面最后性能所规定的偏差,并可实现制造过程的/测量与控制0。表面结构对加工设备的性能和参数变化是非常敏感的,特别是刀具磨损、进给速率、切削速度、材料成份和硬度等。因此通过测量这个手段,可以把表面形貌和加工过程很好地联系起来(参见图2)。

工程表面可由多种不同的

加工方法形成,如:车、铣、刨、

磨、镗等。然而随着新的表面处

理技术的发展,有许多与其它固

体表面相互接触的表面,被进一

步处理后仅影响其表层质量,目

的是产生不同功能要求的表面。

表面形貌和表面性能之间的关

系,通过二维分析已得到部分研

究。然而,要全面理解表面形貌

和功能特性,只有实现表面的三维(3D)表征。过去的许多事实均可说明二维表面分析的局限性,如在镗加工表面垂直于纹理方向的轮廓,表现出周期性;而平行于纹理方向的轮廓,表面结构和参数有明显的不同。

三维表面分析研究的出现主要是由于二维分析的局限性,也是由于具有强大计算能力的计算机的发展。在几年前就已看到,三维表面测量在分析表面的磨损、热交换、压痕形貌和接触等方面是个很有用的工具。但由于三维表面分析所要求的软件和硬件的复杂性不断增加,所以3)图2 测量与制造过程的联系图1 表面结构的表示

主要在理论研究领域。

二维表面计量学的无限制发展,导致了100多个数字粗糙度参数,其中许多参数只有有限的意义。为了避免再出现类似情况,欧洲成立了一个专门委员会,目的是发展新的3D表面测量标准。目前讨论稿已经形成,其中包括14个数字表征参数的/最小体系0,而且大部分已被试验证实。文中推荐了测量方法、测量循环时间和最大的触针力(0.5mN);并建议栅格扫描采用128@128点或256@256点的等间距数据采样区域;定义3D表征的最小二乘基准表面为:/具有理想表面的几何形状,在采样区域内,实际表面偏离基准表面的偏差的平方和为最小0。指出在2D标准中推荐的电气滤波不适合于3D测量,如果需要滤波,则在整个采样区域将数据数字化后,采用数字滤波。粗糙度、波纹度和形状这些术语和性质不应被随意使用,滤波时,应考虑表面数据的频带宽度。对于特殊的应用推荐了高斯和区域滤波器,讨论了自相关、谱矩分析、功率谱分析和时间序列模型等在表面结构分析方面的应用。[3][4-7]

3 测量方法及仪器

在表面形貌测量中,一种是针尖和表面之间的接触测量,另一种是非接触方法,传感器和物体之间没有任何接触,通过光学技术获得表面形貌信息。

接触方法的机械原理比较简单,采用跟随表面粗糙轮廓的针尖的垂直运动被放大和数字化,来获得轮廓的有用的粗糙度参数,以确定的步长扫描并采集平行的轮廓就可得到三维形貌。对于光学方法,情况较复杂。基于不同的光学物理现象,已经研究了干涉外差显微镜、散焦和共焦显微镜、用单色相干光束反射的粗糙度漫射、各种相移显微镜和投影条纹等方法。这些方法中大多数都是选择几个离散的表面图像,结合在一起形成三维图像。各种方法的垂直和水平方向的分辨力是不相同的。用于3D表面分析的最广泛使用的是机械触针、扫描探针和聚焦探测干涉仪。

3.1

传统的触针方法

传统的触针方法是最

古老和最普通的用于测量表

面轮廓粗糙度的仪器。其机

械测量原理如下:针尖与固

体表面接触,触针的垂直运

动通过传感器被转换成电信

号,传感器一般是线性变化

的差动转换器(LVDT)或是

一个光学干涉传感器,电信

号被放大和处理,再通过

A/D转换变为数字信号,用图3 触针法测量原理

计算机分析,这种系统的测量原理示于图3中。用于3D分析的触针法是在现有的2D触针技术上发展起来的,3D表征通过测量表面来实现。在图3中,触针保持固定,而放置试件的表面通过)

移动精密X-Y平台以栅格扫描,平台的运动通过计算机控制,根据表面面积大小可选择合适的数据采样间距。

目前的测量系统使用静态或动态两种数据采集方式。在静态测量中,触针或试件被移动到扫描路径中确定的位置,停下来后在该点测量高度数据;尽管方法可靠,但费时。动态采集是在触针运动过程中采集,动态数据采集减小了测量时间,然而系统受触针动态特性的限制,表面扫描速度高时会引起触针/弹跳0。在3D栅格扫描测量中,重要的是,所有扫描迹线的起始点应在同一个Y-Z平面内,这可以通过精密丝杠、间隔时间、测量速度或位置转换等来实现。采集的高度或位置信号被转换成数字量,并用计算机分析。

机械接触式测量有几个明显的缺点:

1)针尖的最小尺寸(约2.5Lm)阻碍对小孔底部的探测。这个限制好象一个坏的有限滤波器,显著的尖峰和凹坑被滤除,因而引进了一个系统的误差源,特别是影响轮廓高度不对称分布参数(偏斜度Sk)的值,该参数是描述表面性能的重要参数。

减小针尖的直径可以削弱这个缺点的影响,但是这将导致针尖和表面之间的接触压力增加。

2)针尖和试件表面之间的接触压力足够大时,造成表面的永久性破坏,特别是一些小粗糙度值的表面。即使表面保持完整性,针尖的压力也迫使表面粗糙度的顶点因机械变形而变平,减少了粗糙度特征的幅度,因此影响表面形貌分析的准确度。

3)在3D测量中,与光学技术的类似工作相比较,采集实际数据的时间太长。这是当前触针方法的最大缺点。

4)在3D形貌测量中,用于记录平行粗糙度轮廓的间距可能与表面图形的周期相冲突,导致数据处理困难。

3.2 原子尺度的触针技术STM和AFM

在纳米级和超纳米级水平的极限垂直分辨力是通过使用扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)实现的。

3.2.1 扫描隧道显微镜(STM)

STM是Binnig先创的,

示于图4(a)中。原理上,驱动

一个直径为原子大小的导体探

针,并在纳米尺度内接近试件

表面。在试件和探针的气隙之

间加2mV~2V的偏压,而且

有电子隧道电流通过气隙,监

控电流为pA~nA的数量级。

当间隙减小时,这个电流成指

数地增加,间隙变化0.1nm,[8](a) (b)

图4 STM和AFM测量原理

隧道电流变化幅度的1个数量级,这个灵敏度使垂直分辨力有可能达1pm扫描模式通常基于一个恒定电流的反馈体系,采用栅格扫描。X、Y和Z向的运动是由压电元件的三角爪结构提供的,在新式仪器中使用压电管来加速和保持稳定性,所驱动的X、Y、Z方向的运动被记录,并5)

产生3D表面形貌图。该系统垂直分辨力可达0.01nm,横向分辨力为0.1nm;最大的垂直测量范围为5Lm,横向扫描范围(100@100)Lm。STM可用于研究原子和分子结构,测量超光滑衍射光栅、存贮磁盘、读写头等。

3.2.2 原子力显微镜(AFM)

STM只能测量导体表面,后来Binnig和Quate研制了原子力显微镜AFM[9]。在这种情况下,超细的金刚石探针扫过试件表面,记录探针和表面原子间的力。如果探针与表面相接触,则探针与表面原子之间表现为排斥力(Pauliexclusionforces);如探针离开表面50nm,则产生相互吸引的分子间力,即范德华力(VanDerWaalsforces)如图4(b)所示。探针实际上与样本试件相接触,操作模式与传统的触针仪器相似。探针力特别微小,约为(10-6~10-9)N,在这样小的力下,探针可以探测原子,而不损坏表面。探针可用碎小的金刚石片制作,粘附到悬臂系统之上。悬臂梁很小,但具有高的响应频率,典型的硅氧化物悬臂梁具有的频响为100kHz。悬臂的偏斜可以用STM测量,为增加系统的敏感性,悬臂偏斜通过安装在悬臂末端的激光镜反射放大,并产生一个随偏斜快速变化的电子信号,这个信号发送相应的电子,反馈电路控制电压加到Z向压电元件,以致于当探针扫过表面时信号保持恒定。X,Y扫描模式与STM所使用的相同,即压电三角架或压电管。AFM主要用于测量非导体组织和生物材料,其垂直分辨力小于0.1nm,水平分辨力为3nm。

3.2.3 触针方法的比较

它们之间的差异来源于位移的产生方式不同。在传统的触针方法中,X,Y和Z向的移动是由机械装置提供的,典型误差有弹性和热变形、寻找位置的不确定性、各机械零件的线性缺陷等。在原子尺度系统中,因为压电驱动响应的滞后和小的扫描区域尺寸(约1Lm2),那么探针水平和垂直的相对运动,可以被很精确地监控。

一般地,接触测量会局部地改变物体的形状。在传统的触针系统中:第一,通过针尖施加的压力使粗糙度/变平0;第二,由于针尖半径的存在,掩盖了表面的孔洞。

原子尺度的结构可直接用STM观察,也可用AFM系统。STM的缺点是隧道电流是由给定的单个原子产生的,这个假定可能是个错误。例如探针移动过一个斜坡或凹坑,隧道电流点可能变化到靠近斜坡表面的另一个原子,给出错误的读数。用STM绘制的表面形貌是基于隧道电流的存在,这意味着在发射极和表面之间存在着化学键。通过这些键,触针拖拉原子或使表面局部变形(原子的修整就是基于这个效应),可以改变粗糙度的某些特征或产生相反的效果。

在使用AFM的情形中,表面形貌是由探针和表面之间的接触/绘制0的,探针可以把表面原子推成一个球状,然而也可使表面变平。由于物质紧缩的Pauli力的反应很强,这种技术可以被认为是最少受测量过程影响的,当然也是最好的表面形貌测量技术。不过应注意,当用AFM测量时,问题可能是悬臂的扭曲和污损。

3.3 光学技术

近几年,新研制了大量的光学仪器,用于表面形貌的表征。在这里我们只分析在工程表面中使用的方法和仪器。

3.3.1 干涉显微镜

光学干涉技术可测量要求纳米分辨力的表面。这种显微镜工作时,将一单色光分成两束。一束作为内部的参考光,它的光路径长度通过压电驱动精密地监控;另一束作为探测光,其路)

径长度随表面高度的变化而变动。在两束光之间发生干涉,并产生干涉图案。

应用最广的是相移干涉仪和扫描差动干涉仪。目前利用相移技术已生产了大量的商用仪器,如众所周知的Mirall,Michelson和Linnik干涉仪,通过改变不同的物镜而制成,或是基于错位干涉仪原理,如Normarsky和MachZender测量系统。图5中的相移干涉仪是由Bruning在1974

[10]年研制的,干涉仪中采用了参考表面。测量时,来自试件表面的环光与内部参考表面反射的光相干涉,并用3D图像探测器阵列自动记录其强度,然后观察干涉图案,以获取粗糙度参数。一般需记录四幅或五幅干涉图案才能确定一个3D表面形貌图。条纹图案的偏差与试件表面的高度偏差相对应,检测干涉图案的相位,可以定量测量试件表面的高度,

关系式为

z(x,y)=#U(x,y)4P

式中:z(x,y)

差;K

相位变化。

图5所示系统的相移是通

过压电驱动器(PZT)驱动参考

表面来实现,PZT由主计算机

控制,数据处理由专用软件来

完成,测量时间为几十秒数量

级。该系统用于测量,诸如金刚

石车削的超光滑零件、透明胶

片、光学镜模子、光纤光学镜片

等。干涉仪器的主要缺点是要

求表面具有一定的反射性(比聚焦探测技术要求高)。该系统的最大范围也限制在入射光波长的水平(约为600nm),然而最近生产的商业化仪器的范围高达600Lm。快速的斜率变化有时对于干涉系统的测量是很困难的,另外

,

干涉测量的一个关键问题是当操作

仪器时要求高度隔离环境振动。

3.3.2 聚焦检测

聚焦检测系统已经研究了近

二十年。差动式聚焦检测系统示于

图6中[11]。在所示的系统中,一束

很强的会聚激光投影到工件之上,

聚焦镜通过压电回路可垂直移动,

其移动量由焦点误差信号控制,焦

点误差信号探测它对真实表面的距

离变动。当激光经工件转换并传递

时,聚焦镜通过反馈系统维持与工图6 聚焦检测系统图5 相移干涉仪测量原理(1)表面高度偏光波长;U(x,y)

7)

件的精确距离,该反馈系统是从像检测器到压电镜的一个转换回路,镜子的运动表示所测表面的粗糙度数值。3D测量是通过安装一个激光传感器,并通过精密X-Y平台对工件进行栅格扫描。当试件保持固定时,在X-Y平面内,不断变换扫描位置。所测粗糙度数据通过A/D转换,输入计算机处理并得到粗糙度参数。

聚焦检测的其它方法包括:强度检测、临界角法、象散法、Foucoult法、斜束法、焦点检测法和共焦法。聚焦检测系统要求有一定的光量反射回探测器,因此不能检测不透明的表面。另外在试件表面偶遇陡斜坡时,扫描的焦点必然会丢失,而只能在下一个扫描位置寻找焦点。这种现象导致了假的尖峰和凹坑被错误地记录在表面数据中。

图7为一种典型的共焦显微镜测量示意图[12],物

体点的图像是由两个图像的卷积产生的:其中一个图

像是把扫描的单色光聚焦在试件上的物镜产生的;另

一个图像是穿过相同物镜后的反射光束的图像。与传

统的光学显微镜相比,共焦显微镜有两个主要的优点:

一是对比增强;二是横向分辨力的增加。采用旋转的

Nipkow盘,可实现实时X-Y平面扫描,Z方向的运动

由压电驱动。

实际使用中,深度响应用所检测峰密度最大值的

一半处的宽度(FWHM)表示

FWHM=

式中:A1-cos(2Amax)(2)空间内光束孔径角的一半,定义为

物镜数值孔径;n折射指数。

图7 使用Nipkow盘的共焦显微镜NA=nsinA;NA使用紫外线(UV)光可以达到更好的深度分辨力。

3.3.3 激光散射

激光散射指对试件表面粗糙度所散射的光强度的探测。严格地说,它不是一种显微技术,而是通过分析散射线来确定粗糙度参数。这是因为,镜面信号与高度分布的矩相关联(如RMS、偏斜度、峭度),而散开的镜面信号与表面自相关函数有关。

该法在2D测量中得到了应用,但在3D分析中还未被彻底研究,却已显示出研究者对它的兴趣,因为它能直接提供3D表面参数。

3.4 范围和分辨力

显然,上述各类仪器都具有特定的垂直和水平的测量范围。另外,它们的某些物理特征(如探针尺寸和几何形状、传感器敏感性、运动误差、扫描长度、基准、尺度分辨力等)也限定了它们的使用范围。Steadman研究了描述有效工作范围的方法[13],该法基于仪器对正弦表面扰动的有限响应。所考虑的影响因素是垂直范围和分辨力、水平范围和分辨力、水平基准和探针的几何尺寸等,分析结果形成了一个工作幅度波长空间(A.W.Space)。

对于上述仪器的幅度波长图示于图8中[1],图中两个轴分别表示仪器在垂直和水平方向的分辨力(朝轴的原点)和范围(离开轴的原点)。图中的每一块表示仪器的工作区域,在区域中,从点P绘出的两个垂直轴的长度示出了范围对分辨力的比率,长度越长,比率越大。图8清)

楚地表明不同仪器的特定工作区域,对于

给定的测量可以选择合适的仪器。触针仪

器的大工作区域展示出它宽的应用范围;

应注意STM/AFM系统有最高的分辨力,但

测量范围有限;干涉系统有高的分辨力,而

比扫描显微镜有较大的范围。

4 结论及展望

表面非接触测量中所介绍的光学系

统已经大大地增加了其应用范围,例如,研

究工程软表面、生物、医学领域以及避免损图8 各类仪器的测量范围和分辨力坏的光学表面等。

光学和其它非接触测量系统的另一优点是数据采集速率比触针方法高,这增加了在过程测量的可能性;3D数据分析在586和686处理器上也变得更经济和有效。在STM/AFM的使用中,通过仔细操作探针,可以移动单个原子,实现单个原子在结构上的重新安排,纳米尺度写字的例子已证实了这种现象。

新的3D参数将来完全有可能要被加到在欧洲会议上所建议的3D/标准0中,因为它们通过数字处理系统很容易实现。然而,重要的是在广泛使用之前,应仔细评价它们的优点,并研究参数与功能之间的关系。

作为一种表征表面方式的分形几何对学术研究已显示出很大的潜力,理论上分形维数可以单独完全地表征某些表面,而且大量的工作者已从事该领域的研究[14~16],但仍需努力。

可视表征、图像处理和特征识别技术将在表面分析中起非常大的作用,这些技术可能是完善的,因为它包含所有的表面信息。而在以前的3D分析中,采用单纯的数字方法不可避免地导致数据压缩。

3D表面分析的进一步发展将采取基于数据参数相互作用的形式,通过以前记录的数据、加工操作参数或设计的表面参数等,实现在加工过程中/设计0最优的表面功能特性。

参 考 文 献

1 StoutKJ,BluntAB.Applicationof3Dtopographytobio-engineering.Int.J.Mach.Manufact.,1995,35(2):219~229.

2 StoutKJ.Forewordandacknowledgments.Int.J.Mach.ToolsManufact.,1992,32(1/2):1~4.

3 MainsahE,StoutKJ.The2ndInternationalworkshoponthedevelopmentofmethodsforthecharacteriza-tionofroughnessin3D.Precis.Eng.1993,15(4):287~288.

4 DongWP,SullivanPJ,http://prehensivestudyofparametersforcharacterization3Dsurfaceto-pography-I.Wear,1992,159(2):161~171.

5 DongWP,SullivanPJ,http://prehensivestudyofparametersforcharacterization3Dsurfaceto-pography-II.Wear,1993,167(1):9~21.9)

6 DongWP,SullivanPJ,http://prehensivestudyofparametersforcharacterization3Dsurfaceto-pography-III.Wear,1994,178(1):29~43.

7 DongWP,SullivanPJ,http://prehensivestudyofparametersforcharacterization3Dsurfaceto-pography-IV.Wear,1994,178(1):45~60.

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Themeasurementtechniquesof3Dsurfacemicrotopography

LiChenggui LiXingshan QiangXifu

Abstract Analysestheformingandclassificationof3Dsurfacetopographyfirstly,andconsidersthecharacteristicfunctionalityof3Dsurfacemorphologymeasurementsofdifferentclassicalandmodernmetrologicalsystems.Thesystemsconsideredherearethoseatpresentmostcommonlyusedtechniques:classicalstylus,scanningprobemicroscopy,confocalandin-terferometricmicroscopy.Theverticalandhorizontalmeasuringrangeandresolutionofaboveinstrumentsareillustrated,http://stly,thefuturetendencyof3Dsurfacemeasurementandcharacterizationtech-niquesarepointout.

Subjectterms Surfacetopography 3Dmeasurement Developmenttrend