一、臺階儀的定義與用途

臺階儀，英文名為 Profilometer，是專門用于測量物體表面輪廓和表面光潔度（表面粗糙度）的儀器。在微觀層面觀察，物體表面實則是由一系列高度、深度以及間距各不相同的峰谷所構(gòu)成。這些看似細(xì)微的特征差異，卻在很大程度上決定了表面的諸多特性，例如手感上是光滑還是粗糙，外觀呈現(xiàn)啞光還是光澤，是否具備密封性能，或者是否適用于耐磨表面等。在機(jī)械零件生產(chǎn)制造等行業(yè)里，技術(shù)圖紙上通常會明確規(guī)定表面粗糙度或表面光潔度的具體要求。此時，臺階儀就成為了驗證這些要求是否得以滿足的重要工具。它能夠以非常高的精度測量出表面微觀結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)，從而確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能符合設(shè)計預(yù)期。

二、臺階儀的工作原理

（一）接觸式臺階儀

接觸式臺階儀的測量原理是通過一個觸針輕輕地在被測表面上劃過，以此來獲取表面輪廓信息。觸針的尖端形狀為圓錐形，底部帶有球形半徑。當(dāng)觸針沿著表面劃過那些高低起伏的峰谷時，其在垂直方向上的高度變化會被轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行記錄，并且這些高度變化會與觸針在水平方向上的移動位置一一對應(yīng)起來，最終生成精確的測量輪廓。觸針尖端的圓錐角度以及球形半徑的大小，直接決定了該觸針能夠探測到的最小表面特征尺度。為了保證觸針在測量過程中的耐磨性和使用壽命，其尖端通常采用硬度極高且耐磨的材料制成，如金剛石或藍(lán)寶石等。在實際操作中，例如在機(jī)械加工車間里常見的手持式接觸式臺階儀，使用時將其放置在需要測量的工件表面上，觸針會以大約每秒 1 毫米的速度自動在表面上劃過。這種類型的臺階儀，其觸針尖端半徑最小可以達(dá)到幾微米的量級，能夠精確測量出 Ra 值低至 0.005 µm 以及 Rz 值低至 0.02 µm 的表面粗糙度。而且，根據(jù)被測表面的光滑程度不同，手持式接觸式臺階儀通常還配備有多種不同的測量范圍可供選擇，以適應(yīng)多樣化的測量需求。

接觸式臺階儀示意圖

接觸式臺階儀尖端形狀

（二）光學(xué)式臺階儀

光學(xué)式臺階儀包含了一維、二維以及三維等多種類型的測量設(shè)備。這類臺階儀利用光的反射原理來測量表面特征，其工作原理基于多種光學(xué)原理，如光學(xué)干涉、共焦孔徑技術(shù)、焦點檢測原理以及圖案投影原理等。盡管光學(xué)式臺階儀的種類繁多且原理各異，但它們也存在一些共同特點。光學(xué)式臺階儀通常是相對大型的儀器設(shè)備，主要由光源、光學(xué)透鏡以及圖像傳感器等部件組成。然而，其對測量表面也有一定要求，即需要被測表面能夠有效地反射所使用的光，這就使得許多光學(xué)式臺階儀在測量半透明或高反射率表面時會遇到困難。此外，為了確保反射光能夠準(zhǔn)確地表征表面特征，被測表面必須保持清潔，不能有灰塵、水以及油污等雜質(zhì)的存在。由于光的傳播速度極快，光學(xué)式臺階儀在測量速度方面具有顯著優(yōu)勢，相比接觸式臺階儀能夠更快地獲取測量數(shù)據(jù)。某些先進(jìn)的光學(xué)式臺階儀甚至可以在短短幾秒內(nèi)收集數(shù)百萬個讀數(shù)，這使得對大面積表面形貌進(jìn)行建模成為可能，極大地提高了測量效率和數(shù)據(jù)獲取能力。

三、臺階儀的選擇要點

在選擇適合自己應(yīng)用需求的臺階儀時，需要綜合考慮多個關(guān)鍵因素，以下是一些重要的選擇要點：

測量參數(shù)需求：首先要明確自己需要測量哪些參數(shù)，例如常見的 Ra、Rz 等參數(shù)，并且要確定這些參數(shù)的大致范圍。同時，還需要根據(jù)實際應(yīng)用的精度要求，選擇能夠滿足相應(yīng)精度標(biāo)準(zhǔn)的臺階儀。不同的行業(yè)和應(yīng)用場景對表面粗糙度等參數(shù)的精度要求差異較大，只有選擇精度匹配的儀器才能確保測量結(jié)果的有效性。

被測表面特性考量：需要充分考慮被測表面的各種特性，包括表面的大小、形狀以及材質(zhì)等因素。如果被測表面較大且粗糙度要求范圍較廣，例如在一些大型機(jī)械制造企業(yè)中偶爾生產(chǎn)的大型零件，手持式接觸式臺階儀且具有較大測量范圍的型號可能更為合適；而對于小型、高精度要求且表面形狀復(fù)雜的被測物體，如半導(dǎo)體芯片制造過程中的晶圓表面檢測，光學(xué)式臺階儀可能能夠提供更精確和全面的測量結(jié)果。此外，如果被測材料為軟質(zhì)材料，那么在選擇接觸式臺階儀時就需要更加謹(jǐn)慎考慮觸針可能對材料表面造成的損傷問題。

測量效率因素：要根據(jù)實際測量的工作節(jié)奏和需求來考慮測量效率。如果在生產(chǎn)線上需要頻繁地進(jìn)行大量測量，每次測量的周期時間較短，那么光學(xué)式臺階儀憑借其快速測量的優(yōu)勢可能是更好的選擇；反之，如果測量頻率較低，例如在一些小型機(jī)械加工車間中只是偶爾進(jìn)行表面粗糙度檢測，接觸式臺階儀的成本和性能特點可能更能滿足這種低頻測量的需求，同時也能在一定程度上節(jié)約成本。

綜上所述，臺階儀作為表面測量領(lǐng)域的重要精密工具，無論是接觸式還是光學(xué)式，都各自具有特別的優(yōu)勢和適用范圍。在實際應(yīng)用中，只有深入了解臺階儀的各項特性，并根據(jù)具體的測量需求、被測表面特征以及測量效率等多方面因素進(jìn)行綜合權(quán)衡，才能選擇到適合自己應(yīng)用場景的臺階儀，從而為工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究提供準(zhǔn)確、可靠的表面測量數(shù)據(jù)，保障產(chǎn)品質(zhì)量和研究成果的科學(xué)性。希望通過本文的介紹，能讓您對臺階儀有更為全面和深入的認(rèn)識，以便在相關(guān)工作和研究中能夠做出更加明智的選擇。

澤攸科技臺階儀可以對微納結(jié)構(gòu)進(jìn)行膜厚和臺階高度、表面形貌、表面波紋和表面粗糙度等的測量，在高校、研究實驗室和研究所、半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體、高亮度LED、太陽能、MEMS微機(jī)電、觸摸屏、汽車、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。長期以來，這一領(lǐng)域被國外產(chǎn)品壟斷。而澤攸科技自主研發(fā)的JS系列高精度臺階儀，憑借突破性的關(guān)鍵技術(shù)，打破了國外壟斷，是半導(dǎo)體國產(chǎn)化進(jìn)程中重要的一環(huán)。