台阶仪校准：材料测具的轮廓保真度与探针几何形态

在工业表面纹理测量领域，触针式轮廓仪仍是最常用的测量工具。为确保测量结果的准确性，需要定期使用ISO 5436-1标准定义的材料测具进行校准。这些校准过程涉及探针与材料测具之间的机械接触，在重复测量中可能引起磨损，进而影响校准结果的可靠性。Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

先前的研究主要集中在仪器老化、污染、探针半径变化等因素的影响，而对于材料测具和滑架探针在重复校准中的磨损行为，尚缺乏系统性的研究。特别是考虑到工业现场可能对同一材料测具进行数百甚至上千次测量，深入理解磨损效应至关重要。

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实验设计与方法

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测试样品与探针配置

样品核心表面纹理参数

研究选用两种ISO 5436-1 C1型正弦材料测具：

M1：带硬涂层的RNDX3

M2：带镍合金涂层的RNDH3

探针系统包括：

T0：无滑架参考探针

T1：加装滑架的同一探针

T2系列：三种不同滑架材料的预配置滑架探针系统

实验方案设计

研究设计了三种实验场景：

场景A：模拟VDA 5标准流程，在10个横向位置各进行25次测量，总测量次数1000次

场景B：在同一位置进行50-2000次连续测量，不提起探针

场景C：在同一位置进行25-2000次测量，每次测量后提起探针

评估方法

 三种实验类型（A、B、C）的测量策略

表面纹理参数评估遵循 ISO 标准，预处理步骤包括：直线拟合减名义形状、lc 滤波（λc=0.8mm）、提取 4.0mm 中心评估长度，随后计算 Ra、Rz、Rt（轮廓总高度）等参数。同时，通过皮尔逊相关系数对比轮廓与初始轮廓的相似度，计算差异轮廓的 Rq（均方根高度）与标准差，量化磨损对轮廓的影响。

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A类研究：不同位置重复测量

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A1-A6 类研究结果

1000 次测量后，Ra、Rz 等参数无系统性变化（仅因位置差异有小幅散射，如灰尘影响）；但SEM观察可见表面有10条轨迹及触针放置点的轻微损伤，且这种损伤与触针、量块材料无关。

进一步分析 Rt、RSm（轮廓单元平均间距）、Rsk（偏斜度）、Rku（峰度）及峰谷相关参数（Rp、Rv 等），均无明显趋势；轮廓与初始轮廓的相关系数超 0.994，差异轮廓的 Rq 与标准差也无显著变化 —— 说明虽有可见磨损，但未影响量块的校准参数与轮廓基本特征。

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B类研究：同一位置不抬升重复测量

B7-B10 类研究结果

左：B 类研究结果；右：测量序列前后的 T2-1 滑架探头及 T1、T2-1 触针

仅 B9 实验（T2-1 触针 + M1-1 量块，软材料 + 较硬滑架）出现 Ra、Rz 持续下降（正弦振幅因磨损减小），其他组合仅因灰尘有个别异常。SEM 显示 B9 量块峰部有明显材料去除，B7 等实验虽有可见磨损，但程度较轻。

Rt 在 B7、B8 中略有下降，B9、B10 无变化；RSm 恒定，B9 的 Rsk 暗示峰部变平；Rp 下降印证峰部磨损，Rv 恒定；轮廓与初始轮廓的相关系数仍超 0.996—— 说明 Ra、Rz 对磨损不敏感，仅特定材料组合的极端测量才会引发参数变化。此外，光学显微镜观察到滑架磨损（形成椭圆形接触表面），触针尖（金刚石）无损伤。

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C类研究：同一位置抬升重复测量

C11-C12 类研究结果

C11（无涂层滑架）的参数无明显趋势，C12（带涂层滑架）参数散射更显著，SEM 显示 C12 的磨损更严重 —— 说明滑架硬涂层会加剧量块磨损。对比 B9（不抬升）与 C11（抬升），后者磨损显著减轻，证明触针抬升可减少磨损。

轮廓相关系数超 0.9999，差异轮廓参数无显著变化；显微镜显示 T2-3 滑架磨损更重，且因量块磨损产生切屑 —— 进一步验证滑架材料与抬升状态对磨损的影响。

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硬度测量与模型验证

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左：滑架探头的硬度测量结果；右：实物量块的硬度测量结果

硬度测试显示：T2-1、T2-2 实际硬度与名义值吻合，T2-3 涂层未显著提升硬度；所有量块硬度（120~242HV）远低于滑架（550~700HV），说明磨损主要发生在量块。

将数据代入 Greenwood-Williamson 模型，塑性指数均超1（4.32~8.05），证明接触为塑性变形；赫兹应力计算显示，即使最小载荷也超量块屈服强度 —— 两者均验证了磨损的必然性。

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结果总结

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A 类：可见磨损不影响校准参数；

B 类：仅软材料 + 不抬升触针的极端测量引发参数下降；

C 类：滑架涂层加剧磨损，触针抬升减轻磨损；

统计分析：12 次测量与 25 次（VDA 5 建议）的均值稳定性相近，12 次可满足需求且延长量块寿命 2 倍以上。

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实践建议与优化措施

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基于研究结果，提出以下实用建议：

校准策略优化

将校准测量次数从VDA 5推荐的25次减少至12次

采用DKD-R 4-2建议的方法：测量3条长轮廓，分割为12个评估位置

避免在同一位置进行重复测量

仪器操作规范

实施定期视觉检查制度，及时发现表面磨损

采用ISO 3274标准规定的较低测量力（0.75mN）

在测量过程中保持探针提起动作

设备选型考虑

谨慎选择滑架材料，硬涂层不一定能改善磨损情况

建立材料测具更换周期，基于实际使用频率制定

本研究通过系统的实验分析和理论验证，揭示了触针式轮廓仪校准中的磨损机制。主要结论包括：磨损的定性表现早于定量检测，视觉检查是有效的早期预警手段；极端负载条件（>1000次测量）才会导致显著的参数变化；滑架与材料测具的材料组合是影响磨损的关键因素；通过优化测量策略和操作规范，可显著延长材料测具使用寿命。这些发现为工业现场的校准实践提供了科学依据，有助于在保证测量可靠性的同时，降低校准成本和维护工作量。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量 

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

#台阶仪 #触针式轮廓仪 #工业表面纹理测量

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

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