台阶仪的构造和工作原理

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：台阶仪的构造和工作原理如图2-3所示。台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器，它主要由触针、触针驱动装置和位置记录装置构成。图2-3台阶仪的构造和原理图触针是接触式台阶仪的关键部件，一般为针状的金刚石或宝石。由于接触式台阶仪是通过触针扫描来测量表面形貌信息的，所以触针的形状、尺寸和测量力对测量结果的影响较大。台阶仪测量过程如下。

顾名思义，要使用台阶仪测量薄膜的厚度，首先要在样品表面寻找或制造一个台阶，而且只适用于有基底的薄膜的厚度测量。台阶仪的构造和工作原理如图2-3所示。台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器，它主要由触针、触针驱动装置和位置记录装置构成。当触针沿被测表面轻轻滑过时，由于表面有微小的峰谷使触针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动。触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。经位移传感器输出的电信号利用测量电桥输出调幅信号，该调幅信号与触针偏离平衡位置的位移成正比。调幅信号经放大与相敏整流后，可将位移信号从调幅信号中解调出来，得到放大了的与触针位移成正比的缓慢变化信号。再经噪音滤波器、波度滤波器进一步滤去调制频率与外界干扰信号以及波度等因素对粗糙度测量的影响。

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图2-3　台阶仪的构造和原理图

触针是接触式台阶仪的关键部件，一般为针状的金刚石或宝石。最常见的针尖形状为圆锥形，但也有的针尖形状为三棱锥、四棱锥或铲形。由于接触式台阶仪是通过触针扫描来测量表面形貌信息的，所以触针的形状、尺寸和测量力对测量结果的影响较大。为了提高触针对表面的分辨能力，常要求采用小半径、小夹角的尖锐触针和较大的测量力，但这必然会对样品造成划伤的损害。因此，在实际使用中，需要针对不同表面选用不同形状、尺寸的触针以及相适应的测量力。

根据所用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式三种。电感式采用电感位移传感器作为敏感元件，测量精度高、信噪比高，但电路处理复杂；压电式的位移敏感元件为压电晶体，其灵敏度高、结构简单，但传感器低频响应不好、且容易漏电造成测量误差；光电式是利用光电元件接收透过狭缝的光通量变化来检测位移量的变化。

台阶仪的优点是：测量精度较高，量程大，测量结果稳定可靠和重复性好，其横向和纵向分辨率分布为20 nm和0.1 nm；此外它还可以作为其他形貌测量技术的比对。但是也有其难以克服的缺点：①测量薄膜厚度前必须先实现一个清晰理想的台阶；②由于触针与样品相接触会造成触针变形和磨损，使仪器在使用一段时间后的测量精度下降；③触针为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，而当触针头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径时必然造成该处测量数据的偏差；④为使触针不至于很快磨损，一般选用硬度很高的材料，因此不适于精密零件及软质表面的测量。(https://www.chuimin.cn)

台阶仪测量过程如下。

（1）将触针放置于样品表面预先做好的台阶（台阶包括凹型槽或一定尺度的凸起）附近。

（2）启动台阶仪开始进行扫描程序，得到样品表面一定长度（最大长度可达几厘米）的扫描数据（如图2-4所示）。

（3）进行数据处理：台阶仪都自带数据处理软件，利用软件可很方便地得到台阶的高度和表面的粗糙度数值。

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图2-4　台阶仪的测量结果图

台阶仪的构造和工作原理

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