淺談幾何量測量中的小尺寸測量

【摘 要】 隨著科學技術和生產的發展，小尺寸的下限越來越小，根據小尺寸被測件的形狀及自身的特點，多采用千分尺法、接觸式測微儀法、激光衍射法、激光散射法、放大測量法、掃描測量法、觸針法、多光束干涉法、等色級干涉法及顯微鏡法等進行測量。

【關鍵詞】 幾何量 小尺寸測量

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.08.014

1 什么是小尺寸及國內現狀

小尺寸測量的對象是細小窄薄件的長度量，根據現行國家標準的劃分，小尺寸是指小于等于18mm的尺寸。隨著科學技術和生產的發展，小尺寸的下限越來越小，正在向微尺寸、超微尺寸延伸，例如：集成電路中的點陣單元大小僅為1μm，電極尺寸只有0.1μm，甚至是0.1nm級。

2 小尺寸測量的特點

.小尺寸被測件尺寸小，一般要求準確度高，表面粗糙度參數值小。這決定了測量時小尺寸測量區別于大、中尺寸測量的不同，或者說是小尺寸測量的特點。

2.1 測量力引起的誤差較大

對于小尺寸測量來說，由于測頭和被測面之間的接觸面積很小，即使很小的測量力，由于壓強大，也會引起較大的壓陷。

2.2 定位誤差往往較大

由于被測件太小，有時難以選擇設計基準或工藝基準作測量基準，以致產生定位誤差，同時被測件的污垢，油膜及定位支承的表面形狀和位置誤差等都會引起定位誤差。

2.3 溫度引起的測量誤差小

對于小尺寸被測件，由于其量值小，故由熱變形產生的測量誤差小。并且由于導熱快，被測件、測量儀器和基準件的溫度易平衡，故由溫度引起的測量誤差一般可忽略。

2.4 被測件輪廓影像易受異物的影響

由于尺寸小，清洗較困難，當被測件表面不清潔而附有異物時，將使被測輪廓影像產生畸變，使測量準確度降低。因此，對小尺寸零件表面的潔凈程度要求很高，如采用超聲清洗，以達到滿意的結果。

2.5 衍射效應的影響大

對于小尺寸，當用普通光學法測量時，由于衍射效應，使被測輪廓邊緣產生條紋而降低清晰度，因而影響瞄準精度。為了減小此項誤差，應嚴格調焦和瞄準。

3 小尺寸測量的方法

小尺寸測量方法的選擇應根據被測件的幾何形狀及被測件的測量準確度來選擇適合的方法。下面簡單舉幾種小尺寸幾何形狀的測量方法。

3.1 細絲直徑的測量

對于測量范圍大于5μm，測量誤差大于1μm的細絲可采用千分尺法，或者采用接觸式測微儀法，以接觸的方式進行測量；先可以采用者采用稱重法，間接進行測量。

對于準確度要求高的細絲可采用激光衍射法、激光散射法、放大測量法及掃描測量法進行測量。

3.2 小孔直徑的測量

對于（0.5～3）mm的小孔直徑一般采用接觸測量，其測量方法很多，而最常見的用小孔測量顯微鏡進行測量。它的測量準確度可以到[±（0.8+1.3/n）]其中n為測量次數。

對于（0.1～0.5）mm的小孔由于測量儀器測頭難于制造，一般采用非抵觸法測量，主要有像點法、激光衍射法和氣動法。用像點儀測量小孔直徑測量準確度可以達到[±（0.5+L/300+H/300）]（L為測量長度（mm）、H為標準尺表面到被測面高度（mm））；用氣動法測量小孔直徑，測量準確度可達到1μm。

3.3 薄膜厚度的測量

對于薄膜厚度的測量主要有四種方法：觸針法、多光束干涉法、等色級干涉法、顯微鏡法。

其中觸針法由于觸針具有一定的曲率半徑，在測量時又要承受一定的測量力，易劃傷被測表面，因此只適用于極薄而堅硬的膜厚；顯微鏡法適用于一些表面質量要求較高或硬度較低的鍍膜厚度的測量；等色級干涉法與多光束干涉法不同的是用白光作光源，需要用分光鏡來測量譜線的波長；而多光束干涉法，是現有測定膜厚最好的方法，是一切形狀膜厚測量法的基礎，在實驗室中進行測量時，最好可達到（2-3）nm，但該方法的缺點是只能用于靜態測量。

3.4 小寬度的測量

小寬度的測量包括薄帶寬度的測量、狹縫寬度的測量及刻線寬度的測量。

薄帶寬度主要指鐘表工業是的游絲和電子工業中的金屬薄帶，其特點是寬度比厚度大許多倍，但一般寬度在1mm以下，它的測量方法與細絲的測量方法大體相同，多采用量具和量儀進行接觸測量，也可用光學法進行非接觸測量。

對于精度不高的狹縫可用投影放大的方法進行測量；精度要求高的可用激光衍射法和光波干涉法進行測量。

對于刻線寬度的測量按測量方法分為微差比較測量和直接比較測量。測量中主要采用光學顯微鏡和電子顯微鏡兩大類儀器進行測量。

另外，對于小尺寸測量還包括鍍層與涂層的有損測量和無損測量等等。

4 小尺寸測量技術的發展現狀

隨著小尺寸的發展趨勢，小尺寸的測量設備也在日新月異的發展，一些新的測量技術已經開始得到應用。例如電視測量用于電子圖形的線寬、精密光柵元件的線寬等，其準確度在水平和垂直方向均<±3μm；電子顯微鏡可以測量到0.001μm甚至更小的物體，這些技術和設備已經廣泛用于小尺寸測量的領域。

而就目前的發展趨勢，CCD器件作為一種新型的光電傳感器件，應用于小尺寸動態測量，具有著廣闊的發展前景，是今后小尺寸動態測量的研究方向。

作者簡介

楊先穎，鞍山市計量監督檢定所長度室主任，一級注冊計量師，從事長度計量工作16年。

于楓，鞍山市計量監督檢定所長度室檢定員，二級注冊計量師，從事長度計量工作8年。

（責任編輯：張曉明）