概述
Měření drsnosti povrchů lze provádět pomocí různých měřicích přístrojů
Přístroje k měření drsnosti povrchu je možné rozdělit do dvou kategorií, kontaktní a bezkontaktní.
|
Metoda | Měřicí přístroj | Výhody | Omezení |
Kontaktní měření | Přístroj k měření drsnosti s dotykovým hrotem |
|
|
Bezkontaktní měření | Koherenční rastrovací interferometry |
|
|
Laserový mikroskop |
|
| |
Digitální mikroskop |
|
| |
Mikroskop s rastrovací sondou (SPM) |
|
|
Řešení pro měření drsnosti povrchů založená na použití mikroskopu OLS5000 |
Výhody oproti dotykovému hrotu
Výhody oproti
koherenčním rastrovacím interferometrůmVýhody oproti
mikroskopům s rastrovací sondou (SPM)
Dají se korelovat data z přístroje pro měření drsnosti povrchu za pomocí dotykového hrotu a data z laserového mikroskopu? Ačkoli jsou laserové mikroskopy oceňovány pro svoji schopnost rychlého pořizování dat bezkontaktní metodou, existují obavy, že tyto výsledky nemusí korelovat s daty pořízenými pomocí tradičního nástroje založeného na dotykovém hrotu. Přestože jsou některé rozdíly nevyhnutelné již z podstaty použití dvou principiálně odlišných metod měření, stále lze dosáhnout vysoké úrovně korelace, pokud se podmínky měření a analýzy sjednotí v maximální možné míře. Následující část srovnává data z laserového mikroskopu a data z přístroje pro měření drsnosti povrchu využívajícího dotykový hrot. Obrázek 1 zobrazuje hrubá data pořízená laserovým mikroskopem, před aplikací filtru, a Obrázek 3 zobrazuje data z měřicího přístroje používajícího dotykový hrot. V případě nástrojů s dotykovým hrotem bývá často na pořízená data předběžně aplikován filtr λs (zde λs = 2,5 µm), proto byl, pro porovnání, tentýž filtr λs aplikován také na hrubá data z laserového mikroskopu (Obrázek 1). Aplikace filtru s hodnotou λs = 2,5 µm na Obrázek 1 produkuje data, která můžete vidět na Obrázku 2. Když porovnáme Obrázek 2 a Obrázek 3, můžeme snadno vidět, že se shodují. Proto tedy můžeme usoudit, že nám dodržení stejných podmínek měření a použití stejného filtru se stejnými parametry umožnilo data z laserového mikroskopu a data z nástroje s dotykovým hrotem úspěšně korelovat. Vzorek: Etalon drsnosti Rubert č.504 Obrázek 1. Laser (hrubá data): objektiv 20× (NA0,6)
filtr λs(2,5 µm) Obrázek 2. Laser (po aplikaci filtru): Objektiv 20× (NA0,6) Obrázek 3. Dotykový hrot (NA0,6) Protože je poloměr dotykového hrotu v rozsahu od 2 do 10 µm, zaznamenávání drobných změn drsnosti je obtížné. Velikost dotykového hrotu může být navíc omezením při měření na malých plochách, například vodičích. Problém 1 Laser, který používá mikroskop OLS5000, má však průměr pouze 0,2 µm, což mu umožňuje měřit jemné nerovnosti a získávat data z malých cílových oblastí.. |
Další nevýhodou dotykového hrotu je to, že je k jeho funkci potřebný přímý kontakt mezi sondou a povrchem vzorku. U měkkých nebo choulostivých vzorků může kontakt s dotykovým hrotem dokonce způsobit jejich poškození. Sondy s dotykovým hrotem mohou poškozovat povrch vzorků Protože laser používaný mikroskopem OLS5000 získává informace, aniž by se dotýkal vzorku, můžete získat přesná měření drsnosti bez jeho poškození. Lepicí páska 256 × 256 μm |
I když interferometry pracující s bílým světlem poskytují při měření hladkých povrchů citlivost detekce na subnanometrické úrovni, mají několik nevýhod. První z těchto nevýhod spočívá v tom, že tyto přístroje jsou pouze s obtížemi schopny provádět přesná měření (drsných) povrchů se strmým sklonem, následkem čehož jsou nevhodné pro mnoho oblastí použití. Jejich snímače mají navíc sklon k opomíjení slabých signálů, což dále komplikuje schopnost interferometrů provádět přesná měření. Přestože jsou vybaveny objektivem, jeho numerická apertura je menší, než jaká se používá u optických mikroskopů. Má také nižší horizontální rozlišení, což ztěžuje pořízení čistých, živých snímků zkoumaného vzorku. |
Mikroskop OLS5000 naproti tomu provádí měření pomocí laseru a je vybaven specializovanými objektivy s vysokou numerickou aperturou. Tyto vlastnosti vám umožňují získávat přesná měření bez ohledu na povrch vzorku, tedy i tehdy, je-li tento povrch velmi strmý. Tyto vysoce kvalitní objektivy Vám zároveň umožňují pozorovat zkoumaný vzorek během záznamu měření a pořizovat obrazová data během měření. |
Mikroskopy s rastrovací sondou jsou schopny provádět měření na subnanometrické úrovni, avšak jejich rastrovací systém, který je založen na j cantileveru, je příčinou toho, že získávání dat je časově náročný proces. Navíc je velikost rastrované oblasti omezena jen na cca 100 µm, tyto mikroskopy proto nejsou vhodné k měření velkých prvků a pozorování při nízkém zvětšení. |
Laserové mikroskopy OLS5000 jsou schopny provádět měření na subnanometrické úrovni mnohem rychlejším způsobem. Umožňují vám také pozorování submikrometrických nepravidelností za použití širokého zorného pole. Navíc poskytují funkci sešívání snímků, kterou lze využívat k dalšímu rozšiřování analyzované oblasti. |
Mezinárodní standardizaceMezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) podporuje zavádění norem pro plošná měření, přičemž mnoho základních norem již bylo přijato. Následující tabulka obsahuje seznam hlavních norem, které jsou použitelné pro profilovou a plošnou metodu. Normy, které se týkají profilové metody, byly vytvořeny za předpokladu výlučného používání měřicích přístrojů založených na funkci dotykové sondy. Navržené normy sjednotily požadavky na podmínky měření, včetně délky vyhodnocované oblasti, mezní hodnoty, poloměru hrotu sondy atd. V případě plošné metody se však používají různé měřicí přístroje, které jsou založeny na různých funkčních principech, čímž je znemožněno zavedení jednotných požadavků na podmínky měření. Je tudíž zapotřebí, aby uživatelé sami určovali vhodné podmínky měření, které odpovídají účelu prováděného vyhodnocování. Doporučené postupy při určování podmínek měření jsou popsány v části „Základy vyhodnocování drsnosti povrchu za použití laserové mikroskopie“. Hlavní normy týkající se profilové a plošné metody |
Typ profilové metody | Typ plošné metody | |
Parametry struktury povrchu | ISO 4287:1997 | ISO 25178-2:2012 |
ISO 13565:1996 | ||
ISO 12085:1996 | ||
Podmínky měření | ISO 4288:1996 | ISO 25178-3:2012 |
ISO 3274:1996 | ||
Filtr | ISO 11562:1996 | Řada ISO 16610 |
Kategorizace měřicích přístrojů | - | ISO25178-6:2010 |
Kalibrace měřicích přístrojů | ISO 12179:2000 | Ve fázi přípravy |
Standardní zkušební vzorky pro kalibraci | ISO 5436-1:2000 | ISO25178-70:2013 |
Grafická metoda | ISO 1302:2002 | ISO25178-1:2016 |
Technická terminologie a popisy |
Primární profilová křivkaKřivka získávaná aplikací filtru typu dolní propusť s mezní hodnotou λs na měřený primární profil. Parametr povrchové struktury vypočítaný z primárního profilu se označuje jako parametr primárního profilu (parametr P). Profil drsnostiProfil odvozovaný od primárního profilu potlačením dlouhovlnné složky za použití filtru typu horní propusť s mezní hodnotou λc. Parametr povrchové struktury vypočítaný z profilu drsnosti se označuje jako parametr profilu drsnosti (parametr R). Profil vlnovitostiProfil získávaný sekvenční aplikací profilových filtrů s mezními hodnotami λf a λc na primární profil. Filtr λf odděluje dlouhovlnnou složku, zatímco krátkovlnná složka je oddělována filtrem λc. Parametr povrchové struktury vypočítaný z profilu vlnitosti se označuje jako parametr profilu vlnitosti (parametr W). Profilový filtrFiltr určený k oddělování dlouhovlnné a krátkovlnné složky, které jsou obsaženy v profilu. Definovány jsou tři typy filtrů:
| Mezní vlnová délkaPrahová hodnota vlnové délky pro profilové filtry. Vlnová délka udávající 50% přenosový faktor pro danou amplitudu. Délka oblasti odebírání vzorkuDélka ve směru osy X, která se používá k určování charakteristik profilu. Délka vyhodnocované oblastiDélka ve směru osy X, která se používá k zhodnocení vyhodnocovaného profilu. Koncepční nákres profilové metody |
Omezený rozsah plochyData povrchu slouží jako základ pro výpočet parametrů plošné struktury povrchu (povrch typu S-F nebo povrch typu S-L). Někdy bývá označován pouze jako „povrch“. Plošný filtrFiltr určený k separaci dlouhovlnných a krátkovlnných složek, které jsou obsaženy v rozsahově omezených plochách. Podle své funkce jsou definovány tři typy filtrů:
Poznámka: Jako filtry S a L se obecně používají Gaussovy filtry, přičemž jako operace F se používá metoda nejmenších čtverců. Gaussův filtrTyp plošného filtru, který je obvykle používán při plošném měření. Filtrování se provádí konvolucí založenou na použití váhových funkcí odvozených od Gaussovy funkce. Hodnotou indexu vnoření je vlnová délka profilu, který má tvar sinusoidy a pro který se přenáší 50 % amplitudy. Spline filtrTyp plošného filtru s malým zkreslením v okrajových oblastech v porovnání s Gaussovým filtrem. Index vnořeníIndex představující prahovou vlnovou délku pro plošné filtry. Hodnota indexu vnoření, která umožňuje používání plošných Gaussových filtrů, je udávána v jednotkách délky a její mezní hodnota je identická s mezní hodnotou profilové metody. | Povrch S-FPovrch získávaný eliminací krátkovlnných složek pomocí filtru S a následným zpracováním spočívajícím v odstranění určitých tvarových složek pomocí operace F. Povrch S-LPovrch získávaný eliminací krátkovlnných složek pomocí filtru S a následnou eliminací dlouhovlnných složek pomocí filtrace typu L. Vyhodnocovaná oblastObdélníková část povrchu označená jako oblast, jejíž charakteristiky mají být vyhodnocovány. Vyhodnocovanou oblastí má být čtverec (není-li určeno jinak). Koncepční nákres plošné metody |
Základy vyhodnocování drsnosti povrchu za použití laserové mikroskopie |
1. Z položek obsažených v níže uvedeném seznamu vyberte vhodné objektivy na základě toho, jaká veličina má být měřena (drsnost, vlnitost nebo nestejnoměrnost). Ujistěte se, že hodnota pracovní vzdálenosti (WD) je větší než volná vzdálenost mezi vzorkem a objektivem.
2. Připadá-li v úvahu vícero vhodných objektivů, proveďte konečný výběr. Velikost měřicího pole by měla být pětinásobkem měřítka nejhrubší struktury, která je předmětem zájmu.
- Existuje-li vícero vhodných možností, vyberte takový objektiv, který má co největší numerickou aperturu (NA).
- Není-li k dispozici žádný vhodný objektiv, buď zopakujte postup výběru (tentokrát včetně objektivů označených jako „přijatelný v závislosti na použití“), nebo zvažte možnost rozšíření oblasti měření pomocí funkce spojování snímků.
Objektivy | Specifikace | Měřená veličina | |||||
Numerická apertura (NA) | Pracovní vzdálenost (WD) (jednotka: mm) | Průměr ohniska* (jednotka: μm) | Pole měření** (jednotka: μm) | Drsnost | Vlnitost | Nestejnoměrnost (Z) | |
MPLFLN2.5X | 0,08 | 10,7 | 6,2 | 5120 × 5120 | X | X | X |
MPLFLN5X | 0,15 | 20 | 3,3 | 2560 × 2560 | X | X | X |
MPLFLN10XLEXT | 0,3 | 10,4 | 1,6 | 1280 × 1280 | X | ○ | △ |
MPLAPON20XLEXT | 0,6 | 1 | 0,82 | 640 × 640 | △ | ○ | ○ |
MPLAPON50XLEXT | 0,95 | 0,35 | 0,52 | 256 × 256 | ◎ | ○ | ◎ |
MPLAPON100XLEXT | 0,95 | 0,35 | 0,52 | 128 × 128 | ◎ | ○ | ◎ |
LMPLFLN20XLEXT | 0,45 | 6,5 | 1,1 | 640 × 640 | △ | ○ | ○ |
LMPLFLN50XLEXT | 0,6 | 5 | 0,82 | 256 × 256 | △ | ○ | ○ |
LMPLFLN100XLEXT | 0,8 | 3,4 | 0,62 | 128 × 128 | ○ | ○ | ◎ |
SLMPLN20X | 0,25 | 25 | 2 | 640 × 640 | X | ○ | △ |
SLMPLN50X | 0,35 | 18 | 1,4 | 256 × 256 | X | ○ | △ |
SLMPLN100X | 0,6 | 7,6 | 0,82 | 128 × 128 | △ | ○ | ○ |
LCPLFLN20XLCD | 0,45 | 7,4–8,3 | 1,1 | 640 × 640 | △ | ○ | ○ |
LCPLFLN50XLCD | 0,7 | 3,0-2,2 | 0,71 | 256 × 256 | ○ | ○ | ○ |
LCPLFLN100XLCD | 0,85 | 1,0-0,9 | 0,58 | 128 × 128 | ○ | ○ | ◎ |
* Teoretická hodnota.
|
◎ : Nejvhodnější
|
Rozsahy funkcí příslušných filtrů, možnosti kombinací filtrů a velikosti filtrů používaných při provádění analýzy povrchových prvků odpovídají níže uvedenému popisu: Podmínky filtrování se určují v souladu s cíli analýzy. Funkce filtruPři provádění parametrické analýzy povrchových prvků je třeba zvažovat použití tří typů filtrů (operace F, filtru S a filtru L) pro zpracování dat povrchové struktury získávaných v souladu s cíli prováděného měření. |
|
Kombinace filtrů
Pro uvedené tři filtry (operátor F, filtr S a filtr L) je k dispozici osm kombinací. Vyberte kombinaci filtrů, které chcete použít, podle seznamu cílů měření uvedených v následující tabulce.
Zamýšlený účel | Při analýze nezpracovaných pořízených dat | Při eliminaci složky vlnitosti | Při eliminaci kulových, křivkových a dalších tvarových složek | Při oddělování kulových, křivkových a dalších tvarových složek dodatečně ke složce vlnitosti | Při eliminování malých složek drsnosti a šumu | Při eliminaci malých složek drsnosti, šumu a složek vlnitosti | Při eliminaci kulových, zakřivených a dalších tvarových složek společně s malými složkami drsnosti a šumu | Při eliminaci malých složek drsnosti a šumu společně s kulovými, zakřivenými a dalšími tvarovými složkami a složky vlnitosti |
Operátor F | - | - | 〇 | 〇 | - | - | 〇 | 〇 |
Filtr S | - | - | - | - | 〇 | 〇 | 〇 | 〇 |
Filtr L | - | 〇 | - | 〇 | - | 〇 | - | 〇 |
- : Nelze použít
○ : Lze použít
Velikost filtru (indexy vnoření)
Síla filtrace (eliminační schopnost) se označuje jako index vnoření (filtry L jsou alternativně nazývány filtry s mezní frekvencí).
- Filtr S odděluje tím detailnější složky prvků, čím větší je hodnota indexu vnoření
- Filtr L odděluje tím více složek prvků vlnitosti, čím menší je hodnota indexu vnoření
Přestože se při definování hodnot indexu vnoření doporučuje používání konkrétních číselných hodnot (0,5, 0,8, 1, 2, 2,5, 5, 8, 10, 20), platí následující omezení:
- Hodnotu indexu vnoření je pro filtry S třeba určovat tak, aby překračovala optické rozlišení (= průměr zaostřeného bodu) a současně byla alespoň trojnásobkem intervalu vzorkování dat
- Je zapotřebí, aby nastavená hodnota indexu vnoření pro filtr L byla menší než oblast měření (délka úzké strany obdélníkové plochy)