Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Измерение шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа

1 Цель работы:

Получить навыки обработки результатов измерений, полученных на сканирующем зондовом микроскопе с использованием программного пакета Image Analysis.

Получить навыки измерений шероховатости объектов обработки на сканирующем зондовом микроскопе.

2 Перечень оборудования для данной работы

Микроскоп сканирующий зондовый Solver PRO-M

Образец

3 Основные характеристики, устройство и правила пользования оборудованием

Микроскоп сканирующий зондовый Solver PRO-M (далее – СЗМ) предназначен для измерений трехмерной топологии и параметров микрорельефа поверхности конденсированных сред с атомарным разрешением. СЗМ обеспечивает работу как в режиме сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), так и атомно-силового микроскопа (АСМ) с использованием различных методик зондовой микроскопии.

В состав СЗМ входит набор измерительных СЗМ головок, электронный блок и управляющий персональный компьютер.

В качестве зонда в АСМ используется чувствительный элемент - кантилевер, который представляет собой кремниевый монокристалл, на котором сформирована балочная структура с острием в виде микроиглы. В СТМ в качестве зонда используется металлическая игла из платиновых сплавов.

Управление процессом измерений осуществляется от контроллера и РС совместимого компьютера с помощью программного обеспечения. Управляющие сигналы от СЗМ контроллера поступают в измерительную головку. Управление СЗМ контроллером осуществляется с помощью программного обеспечения, которым осуществляется настройка прибора, оптимизация его параметров, управление режимами работы, выполнение сканирования, обработка результатов измерений и их хранение.

Рис. 1 Общий вид Solver PRO-M 1 – блок подвода и сканирования; 2 – измерительная головка; 3 – система видеонаблюдения; 4 – виброизолирующая платформа

Рис. 2. Основные элементы сканирующей измерительной головки 1 – основание; 2 – наконечник сканера; 3 – держатель зондового датчика; 4 – винты позиционирования лазера; 5 – винты позиционирования фотодиода; 6, 7 – винтовые опоры; 8 – стойки

Основные понятия измерения шероховатости.

Шероховатость – совокупность неровностей поверхности с малыми шагами и амплитудами.

Соответственно при измерениях методом СЗМ шероховатостью поверхности принято считать совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью кадра сканирования зондового атомно-силового микроскопа. Характеристикой шероховатости считается высота выступов и впадин относительно средней поверхности (рис.3).

Рис. 3

Одной из характеристик шероховатости является их средняя арифметическая величина Rа в мкм на некоторой базовой длине L:

Отсчет ведется от базовой линии, имеющей форму номинального профиля, проведенной так, что среднее квадратическое отклонение профиля от этой линии минимально. Другой характеристикой шероховатости является высота Rz неровностей профиля по десяти точкам на базовой длине L, т.е.:

где Hi max и Hi min – отклонения пяти наибольших максимумов и пяти наименьших минимумов профиля. Обычно Rz = 4*Rа. Rа обычно составляет 0,05 допуска на размер изготавливаемой детали.
В зависимости от вида обработки задается базовая длина, шероховатость Rа в мкм и число базовых длин. Чистота обработки поверхностей, характеризуемая 14 различными степенями определяется по шероховатости Rа, значения которой даны в таблице 1.

Классы и разряды чистоты поверхности

Класс чистоты поверхности	Разряды	Среднее арифметическое отклонение профиля, мкм	Высота неровностей, мкм	Базовая длина, мм
	—
	—
	—
	—			2,5
	—
	а	2,5	10,0
б	2,0	8,0
в	1,6	—
	а	1,25	6,3
б	1,0	5,0	0,8
в	0,8	4,0
	а	0,63	3,2
б	0,5	2,5
в	0,4	2,0
	а	0,32	1,6
б	0,25	1,25
в	0,20	1,0
	а	0,16	0,8
б	0,125	0,63
в	0,10	0,5	0,25
	а	0,08	0,4
б	0,063	0,32
в	0,05	0,25
	а	0,04	0,2
б	0,032	0,16
в	0,025	0,125
	а	0,02	0,1
б	0,016	0,08
в	0,012	0,063	0,08
	а	0,01	0,05
б	0,008	0,04
в	0,006	0,032

4 Порядок выполнения работы

4.1 Подготовка микроскопа и динамической меры к работе:

Закрепить образец на предметном столике микроскопа

Установить контактный зонд.

Подключить к сети СЗМ контроллер (электронный блок) управления прибором.

Запустить программу Nova NT-MDT.

Включить электронный блок управления.

Произвести юстировку лазера.

Установить контактный режим (contact) сканирования.

Включить обратную связь (FBGain).

Включить емкостные датчики.

Осуществить подвод зонда к образцу.

4.2 Проведение измерений

Запустить сканирование и получить скан с областью 100х100 мкм.

Вычесть из скана плоскость путем обработки Substract Plane

Произвести вычет плоскости 2 порядка путем обработки Substract 2 Order Surface

Произвести сечение скана инструментом X Cross Section

Произвести измерение пяти наибольших максимумов и пяти наименьших минимумов профиля, используя инструмент Pair Markers в различных сечениях.

Занести результаты измерений в таблицу

4.3 Обработка результатов

Используя инструмент Roughness Analysis определить среднее значение высоты профиля (Average), приняв его за базовую линию

Вычислить по модулю отклонения Hi max и Hi min от базовой линии.

Вычислить высоту Rz неровностей профиля по формуле:

Вычислить характеристику шероховатости Rа по эмпирической формуле

Rа = Rz/4

5 Отчет о работе

Заполнить таблицу исходными данными, результатами измерений и расчетов


max
min
Average
Hi max
Hi min
Rz
Ra
Класс и разряд

6 Контрольные вопросы

1. Что такое шероховатость поверхности при её определении методом СЗМ?

2. Какие характеристики шероховатости поверхности существуют и как они определяются?

3. Какое эмпирическое соотношение установлено между характеристиками шероховатости?