台阶仪的原理与应用指南

引言：

表面特征是材料、化学等领域不可或缺的主要研究内容，合理地评价表面形貌、表面特征等，对于相关材料的评定、性能的分析和加工条件的改善都具有重要的意义。本文将介绍一种常用的表面测量技术——台阶仪的原理及其在各个领域的应用。

一、台阶仪的原理

台阶仪是一种接触式表面形貌测量仪器，主要用于测试材料的台阶厚度。它通过测量探针与被测样品之间的相对位移来获取表面形貌信息。根据使用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式3种。其中，电感式采用电感位移传感器作为敏感元件，具有测量精度高、信噪比高的特点；压电式采用压电晶体作为敏感元件，具有灵敏度高、结构简单的优点；光电式则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。

台阶仪的结构原理图

二、台阶仪的基本结构及原理

台阶测量是传统表面形貌测量的一个新发展，与传统表面形貌测量相比，其测量样品多为单向性布局的规则表面，样品多为不同材料且硬度较小，测量范围较大，要求测量力较小。台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器，用于测量材料的台阶厚度。根据使用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式3种。

探针扫描位置偏移

探针位置校正

三、影响因素

在使用台阶仪进行测量时，需要注意以下几个影响因素：

1. 样品浸泡方向：样品测试面朝上刻蚀后，在台阶上测试的图像基准面线路水平，膜层刻蚀干净，与膜层面线路平行，形成台阶效果好，测试数据平行度好，偏差小，重现性高。而测试面朝下刻蚀的样品，结果差。

2. 胶带粘贴方式：采用粘贴胶带后直接刻蚀样品的方法，测试结果偏差较大，数据波动大，重现性差，测试效果不理想。而采用粘贴胶带后先划去一部分再刻蚀样品的方法，测试结果偏差较小，数据波动小，重现性好，测试效果理想。

3. 杂质的影响：使用酒精擦拭样品时一定要将样片擦拭干净，样片上若残留污渍，特别是胶带边缘处，会影响测量结果。

探针沾污影响

四、常见问题分析

在使用台阶仪进行测量时，可能会遇到一些基本问题，为了保证台阶高度测试任务的顺利进行，需要对这些问题进行快速处理。常见的问题包括探针扫描位置问题、探针针尖沾污问题和测力问题。针对这些问题，可以采取相应的解决办法，如校正探针位置、清洁探针针尖和调整探针测力等。

五、应用实例

台阶仪测量的结果稳定准确，对测量环境要求低，仪器操作简单，不仅可测金属表面，也可测非金属表面。它在各个领域都有广泛的应用。例如，在表面涂覆技术领域，台阶仪可以用于研究材料表面多镀层的厚度；在压电能量采集技术领域，台阶仪可以用于测量柔性压电能量采集器的硅薄膜厚度等。

不同材料不同区域厚度

台阶仪测量硅薄膜厚度

结论：

台阶仪作为一种常用的表面测量技术，具有测量精度高、操作简便等优点。了解其原理和应用方法对于正确使用台阶仪进行表面形貌测量具有重要意义。通过合理的操作和注意事项，可以保证测量结果的准确性和可靠性。

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