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对半导体器件表面粗糙度形貌的评定而言，若其精度要达到纳米级，同时又要对工件外观形状进行 100% 的全数在线检测，则要求能满足高速测量或采用非接触测量。情况不同对评定要求也各不相同。对于这些不同的要求，人们提出了许多新的测量系统，即便如此，至今仍不能满足广泛应用的要求。
本文介绍的是新型表面形貌检测仪 1500 系列，它装备有使用广泛的差动变压器式的传感器，可实现对汽车零部件或 IT 行业相关零部件的高精度、高倍率、低振幅的测量。为提高测量效率，该仪器设计空间紧凑，实现了全自动高速测量，降低了运行成本，性能大大改善。 ? 差动变压器式的触针式表面粗糙度形貌测量仪的特点是： ① 分辨率高； ② 价格合理； ③ 操作使用方便； ④ 标准化，数据库具有很高的可行度等。从而使该仪器用于生产现场评定时，具有测量精度高、测量效率高和良好的操作性能。下面作一介绍。
1. 系统的基本概念
东京精密的集成测量系统 TIMS 是一个信息化的柔性表面形貌粗糙度测量系统，在测量表面粗糙度和测量表面轮廓形状时，尽管其目的各不相同，但测量所得到的数据却相同，只需采用一定的解析程序就能得到所要求的解析结果 ( 即可分别得到被测工件的粗糙度和轮廓形状误差 —— 译注 ) ，全部解析结果在检查报告书上打印出来。仪器也可采用市场有的现成程序，将多个测量数据输出或用数码相机将图象曲线记录下来附在报告书上。因此，该仪器具有从测量、解析直到印刷这一连串操作全自动化进行的功能。 ?
新理念的表面粗糙度形状检测仪 Surfcom1500 系列产品可同时对工件的表面粗糙度的形貌和多种微细轮廓形状进行分析。在表面粗糙度形状检测仪上附加装上轮廓形状检测用传感器，就可进行轮廓形状分析。这种复合系统再加上 Y 轴驱动部件就能升级进行一个工件的三维粗糙度形貌或多个工件的二维粗糙度形貌的连续测量，从而可根据用户的要求，方便地构建成相应的柔性测量系统。
2. 采用直线电机实现了表面粗糙度低的振动测量功能
汽车零部件、机械零件表面粗糙度的平均 R 值，从几微米到亚微米的情况较为多见；对高精度零部件，其 Ra 值从几十纳米到几纳米。 ?
高放大倍率的测量机绝不能忽视其自身产生的振动。为提高测量效率，本系统提高了测量速度，其振动也成倍增大。为此该仪器采用了直线电机。直线电机为非接触驱动，没有丝杆、齿轮，其结构简单，不会产生振动，容易保证长期工作的稳定性。采用直线电机后，仪器振动减少为不到原来的 1/5 ， Ra 值很小，仅为 1nm ；即使改变测量速度，其振动也没有多大变化。由于结构上间隙小，使仪器响应速度提高。采用直线电机后，可进行高放大倍率、高速测量，提高了传感器的响应特性。
Surfcom1500 的标准系统中增加了 Y 轴驱动部件，采用学教功能，就可对小型机械零部件、电器功能部件等多个工件一起进行自动检测，这对提高测量小型零件的测量效率非常有效。
3. 高精度轮廓形状测量功能
一般工件的轮廓形状都采用投影仪或工具显微镜来进行检测，但是利用触针式轮廓形状检测仪就能在短时间内经简单的检测，将测量结果用图形记录、保存下来，非常方便，得到了普及推广。利用数据处理系统，可对角度、半径、等分 ( 点距 ) 等尺寸进行测量，并与 CAD 所得到的理论轮廓的点阵数据进行比较，从而根据所得到的误差对工件形状进行评价，因此用途更加广泛。为适应高精度检测，新系统采用了系统精度补偿技术，使测量精度大幅度提高。 ?
(1) 圆弧补偿
轮廓形状测量仪采用了 X 、 Z 轴，是一个二维测量仪。利用测量臂机构扩大了测量范围，导致测量点的运动轨迹呈圆弧状，所以有必要对其圆弧运动进行补偿修正。由于测量臂作圆弧运动，即使 X 轴不动，测尖位置在 X 方向上也要产生位移。为此，根据传感器的支点求出测量臂长 LH 和深度 LV 来对测量位移进行修正。
(2) 测尖半径修正
测针端部呈球形，通常半径 R 为 0.025mm ，测量点阵数据是工件的包络线，对测尖端部 R 有必要进行修正。对本仪器而言，为减小测尖形状 ( 真球度 ) 的影响，将测尖和工件接触的角度与相应触针半径可记录下来。修正时，同时使用标准球和块规，并采用球校准装置。采用相应校准程序可简便地实现测尖半径的校准和调整。 ?(3) 直线性修正
Z 轴变动量的检测用差动变压器传感器的指示精度和理想直线进行比较，出现 S 形直线性偏差。如将直线性偏差的修正值预置修正，可使测量精度提高到原来的 1/5( 即 3μm) ，大大改善了精度。 ?
利用上述精度补偿修正技术，改善了仪器精度，使在该仪器上能够检测磨具等精密零件，测量对象大大增加，提高了仪器的使用频率。
4. 微细轮廓测量功能
随着微细化技术的进步，近年来要求测量机能进行微细工件的尺寸和形状分析。对测量范围为表面粗糙度测量的微米级领域内进行形状分析，如液晶导光板的形状、混合型 IC 厚膜形状、透明导电膜的形状、流体轴承沟道形状等微细轮廓测量的要求大大增加。因此有必要在这些微米级测量领域内对圆弧、触针半径进行修正。该系统能实现这种功能。新开发的小型高性能传感器和原来相比，其测量范围扩大了 20% ，微细轮廓形状评定的幅值更宽。采用标准测量时，可实现 1000μm 的测量范围。
5. 三维粗糙度测量功能
利用传感器的扫描动作进行多次反复测量，可对工件表面进行评定。仪器最多可测 2000 条线，但测量时间会很长；大大提高的驱动速度使三维测量所花费的时间与原来相比，缩短了 30% ～ 50% 。在评定涂装面的光泽、运动面的磨损、薄膜表面形状时，从一个无周期性的、二维断面形状不可能有效地评定其性能，而采用三维测量才更为有效。如对喷丸硬化表面的三维测量，对于喷丸直径、硬化面积等表面改性有关的深入研究和断面评定是行之有效的。目前正在普及推广采用三维粗糙度来进行评定，特别是在研究开发部门，正在快速普及。 ISO/TC213 委员会正在进行评定参数的规范化工作。
6. 表面粗糙度标准 / 规范的动向
零部件生产国际化的急剧推进，关键是采用国外粗糙度标准来整合测量值。 2001 年新出版的日本标准是以 ISO 标准为准来进行整合的。但现在与汽车相关行业中近半数的日本国内企业仍然使用 1982 年版的日本标准，并未按 ISO 标准对测量值进行整合。 2001 年版新的日本标准修订已成为主要课题。与汽车相关的各个工厂已经准备向标准靠拢并予以实施。本公司的表面粗糙度形状测量仪，将国内外新旧标准进行了对比，将测量值经过再计算，就可得到新参数。表面粗糙度标准的整合已经进入到最后阶段。 2003 年 7 月，表面形状的图示方法作为标准予以制定。 ? 据调查，大多数用户使用的是中等水平的表面粗糙度测量仪。今后测量机要设置在生产线附近，必须要具有很强的环境适应能力。作为制造商，提高仪器精度和性能、开发出环境适应性强的仪器是目前应该考虑的问题。
文章关键词： 高精度表面形状检测
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