精细刻痕深度的检测技术

徐 昱 / 湖南省计量检测研究院

0 引言

1 检测装置

图1为检测装置示意图。将МИИ-4型或6J型干涉显微镜1和立式光学计的支座5置于同一平板上，视被测样板3刻线沟槽的深度，在支座5上放入光学计光管或接触式干涉仪光管4，其上刀口测帽在检测时与干涉显微镜的干涉系统臂架保持接触。将干涉显微镜的测微目镜2十字线分划板换为图2所示的专用分划板，借此来提高干涉条纹的瞄准准确度。考虑到被测刻划沟槽的谷底有平面的、角度的或圆弧形的，相应谷底的干涉条纹有呈平直的和不同的角度或不同的半径圆弧，而且同一刻线沟槽谷底干涉条纹的角度或圆弧半径的大小随干涉条纹的宽窄而变，为此，该专用分划板上刻有两组线条图案，内中一组双直线内有30°、37.5°、…、75°的角度双线，另一组内有半径为0.2 mm、0.4 mm、…、1.0 mm的圆弧双线。小径圆弧顶点和小三角顶点A落在直线条内边缘A′上，大径圆弧顶点和大三角顶点B与另一直线条内边缘B′相切。

图1 检测装置示意图

图2 专用分划板

1.1 操作步骤

测量上述样板沟槽深度H的操作程序大致与干涉显微镜测量制件的表面粗糙度相同，两者不同的是后者用测微目镜2的十字线瞄准干涉条纹和用读数鼓轮读数，而前者用测微目镜的专用分划板双线瞄准和用光管读数。对于沟槽谷底为平面的刻线，其相应的干涉条纹峰和谷均为直线条，缓慢地转动对焦鼓轮6，用分划板图案中的同一双直线前后瞄准这两条条纹。对于谷底为角度或圆弧的刻线相应干涉条纹，前后分别用分划板图案中的双直线和角度双线或圆弧双线瞄准。在进行上述前后两次瞄准时对焦鼓轮保持往一个方向转动。当对称跨线前后瞄准好后立即在光管上进行读数，两次读数的差值即为被检样板刻线沟槽深度H。按上述操作，重复测量三次，取三次读数平均值作为测量结果。需要说明的是，钠光具有很好的单色性，为使由干涉系统生成优质的条纹，可先用白光照明，目镜视野内找到零次黑色条纹后改为钠光照明，这对提高瞄准准确度大有好处。

2 测量不确定度分析

以立式光学计光管读数测量H为50 μm，用分度值i为0.05 μm接触式干涉仪光管来测量H为1 μm样板刻线沟槽深度为例，按上述操作方法，对测量不确定度的来源进行分析。

2.1 瞄准误差引入的标准不确定度分量

式中：250×103— 明视距离，μm；

Δ— 对称跨线瞄准误差约为10″；

Γ— 干涉显微镜放大倍数为480x；

ρ — 线值角度换算系数2×105

从产业结构角度出发，我们可以看到，中国是以制造业为主，劳动力市场上多是体力劳动者，这部分人依靠他们的体力劳动取得收入，但是人体在晚年时期身体机能会大大下降，如果推迟退休年龄会给这些人带来身体上的伤害。

将上述各数值代入后得：

因测量时前后两次瞄准，并重复测量三次，且服从均匀分布

2.2 光管的读数引入的标准不确定度分量

对零和估读误差一般不超过分度值的1/10，取均匀分布。用立式光学计光管时，光管的读数引入的标准不确定度分量：

用接触式干涉仪光管时，光管的读数引入的标准不确定度分量：

2.3 光管的示值误差引入的标准不确定度分量

用立式光学计光管时，读数范围不超过±60 μm，该项误差不大于± 0.2 μm，取均匀分布，则光管的示值误差引入的标准不确定度

用接触式干涉仪光管时，光管的示值误差引入的标准不确定度可按公式算得：

式中：i — 分度值，I = 0.05 μm；

n — 读数分划格数，设n = 20格；

λ — 干涉滤光片波长，设 λ = 0.550 μm；

Δλ — 波长的检定不确定度，Δλ = ± 0.002 μm

上述数值代入后得

则沟槽深度测量合成不确定度为：

用立式光学计光管时，uc= 0.15 μm；

用接触式干涉仪光管时，uc= ± 0.036 μm。

取k = 2，扩展不确定度：U(立式光管)=0.30 μm；U（接触式干涉仪光管）= 0.072 μm。

测量相对不确定度Urel为：

对于H = 50 μm样板，Urel= U/H = 0.30/50 = 0.60%，

对于H = 1 μm样板，Urel= U/H = 0.072/1 = 7.2%。

3 实测比对

为了验证所探讨的检测技术测量准确度的可靠性，对三套单刻线样板进行实测，其实测值与中国计量科学研究院的测得值见表1。

表1 测值比对

4 结语

由以上检测不确定度分析和实测比对表明，所探讨的检测装置技术方案可获得很高的检测准确度。欲进一步提高检测准确度，则可增加重复测量次数。

[1]全国法制计量技术委员会. JJF 1059-2012[S]. 北京：中国计量出版社，2012.

[2]全国计量标准、计量检定人员考核委员会. 测量不确定度评定与表示实例[M]. 北京：中国计量出版社，2001.