Un perfilómetro es un instrumento de medida que se utiliza para medir el perfil de una superficie , con el fin de cuantificar su rugosidad . Las dimensiones críticas como escalón, curvatura, planitud se calculan a partir de la topografía de la superficie.
Si bien la noción histórica de perfilómetro era un dispositivo similar a un fonógrafo que mide una superficie a medida que la superficie se mueve en relación con la aguja del perfilómetro de contacto , esta noción está cambiando con la aparición de numerosas técnicas de perfilometría sin contacto.
Las tecnologías que no son de escaneo pueden medir la topografía de la superficie dentro de la adquisición de una sola cámara, el escaneo XYZ ya no es necesario. Como consecuencia, los cambios dinámicos de la topografía se miden en tiempo real. Los perfilómetros contemporáneos no solo miden la topografía estática, sino ahora también la topografía dinámica; estos sistemas se describen como perfilómetros de resolución temporal.
Tipos
Los métodos ópticos [1] [2] incluyen métodos basados en interferometría tales como microscopía holográfica digital , interferometría de barrido vertical / interferometría de luz blanca , interferometría de desplazamiento de fase y microscopía de contraste de interferencia diferencial (microscopía Nomarski); métodos de detección de enfoque como detección de intensidad, variación de enfoque , detección diferencial, método de ángulo crítico, método astigmático, método de foucault y microscopía confocal ; métodos de proyección patrón tales como proyección de franjas , perfilometría Fourier , Moire , y métodos patrón de reflexión .
Los métodos de contacto y pseudocontacto [1] [2] incluyen el perfilómetro de aguja (perfilómetro mecánico) [3] microscopía de fuerza atómica , [4] y microscopía de túnel de barrido
Perfilómetros de contacto
Una aguja de diamante se mueve verticalmente en contacto con una muestra y luego se mueve lateralmente a través de la muestra por una distancia y una fuerza de contacto especificadas. Un perfilómetro puede medir pequeñas variaciones superficiales en el desplazamiento vertical de la aguja en función de la posición. Un perfilómetro típico puede medir pequeñas características verticales que varían en altura desde 10 nanómetros hasta 1 milímetro. La posición de altura de la aguja de diamante genera una señal analógica que se convierte en una señal digital, se almacena, analiza y muestra. El radio de la aguja de diamante varía de 20 nanómetros a 50 μm, y la resolución horizontal está controlada por la velocidad de escaneo y la frecuencia de muestreo de la señal de datos. La fuerza de seguimiento de la aguja puede oscilar entre menos de 1 y 50 miligramos.
Las ventajas de los perfilómetros de contacto incluyen aceptación, independencia de la superficie, resolución, es una técnica directa que no requiere modelado. La mayoría de los estándares de acabado de superficies del mundo están escritos para perfilómetros de contacto. Para seguir la metodología prescrita, a menudo se requiere este tipo de perfilómetro. El contacto con la superficie es a menudo una ventaja en entornos sucios donde los métodos sin contacto pueden terminar midiendo los contaminantes de la superficie en lugar de la superficie en sí. Debido a que la aguja está en contacto con la superficie, este método no es sensible a la reflectancia o al color de la superficie. El radio de la punta de la aguja puede ser tan pequeño como 20 nanómetros, significativamente mejor que el perfil óptico de luz blanca. La resolución vertical también suele ser subnanométrica.
Perfilómetros sin contacto
Un perfilómetro óptico es un método sin contacto para proporcionar gran parte de la misma información que un perfilómetro con lápiz óptico. Actualmente se están empleando muchas técnicas diferentes, como la triangulación láser ( sensor de triangulación ), la microscopía confocal (utilizada para perfilar objetos muy pequeños), la interferometría de baja coherencia y la holografía digital .
Las ventajas de los perfilómetros ópticos son la velocidad, la fiabilidad y el tamaño del punto. Para pequeños pasos y requisitos para realizar escaneo 3D, debido a que el perfilómetro sin contacto no toca la superficie, las velocidades de escaneo están dictadas por la luz reflejada desde la superficie y la velocidad de la electrónica de adquisición. Para realizar grandes pasos, un escaneo 3D en un perfilador óptico puede ser mucho más lento que un escaneo 2D en un perfilador de lápiz óptico. Los perfilómetros ópticos no tocan la superficie y, por lo tanto, no pueden dañarse por el desgaste de la superficie o por operadores descuidados. Muchos perfilómetros sin contacto son de estado sólido, lo que tiende a reducir significativamente el mantenimiento requerido. El tamaño del punto, o resolución lateral, de los métodos ópticos varía desde unos pocos micrómetros hasta submicrómetros.
Perfilómetros de resolución temporal
Las tecnologías sin escaneo como la microscopía holográfica digital permiten la medición de la topografía 3D en tiempo real. La topografía 3D se mide a partir de la adquisición de una sola cámara, como consecuencia, la velocidad de adquisición solo está limitada por la velocidad de adquisición de la cámara, algunos sistemas miden la topografía a una velocidad de fotogramas de 1000 fps. Los sistemas de resolución temporal permiten la medición de cambios topográficos como la curación de materiales inteligentes o la medición de muestras en movimiento. Los perfilómetros de resolución temporal se pueden combinar con una unidad estroboscópica para medir las vibraciones MEMS en el rango de MHz. La unidad estroboscópica proporciona una señal de excitación al MEMS y proporciona una señal de activación a la fuente de luz y la cámara.
La ventaja de los perfilómetros de resolución temporal es que son resistentes a las vibraciones. A diferencia de los métodos de escaneo, el tiempo de adquisición del perfilómetro resuelto en el tiempo está en el rango de milisegundos. No hay necesidad de calibración vertical: la medición vertical no depende de un mecanismo de escaneo, la medición vertical con microscopía holográfica digital tiene una calibración vertical intrínseca basada en la longitud de onda de la fuente láser. Las muestras no son estáticas y hay una respuesta de la topografía de la muestra a los estímulos externos. Con la medición en vuelo, la topografía de una muestra en movimiento se adquiere con un tiempo de exposición corto. La medición de vibraciones MEMS se puede lograr cuando el sistema se combina con una unidad estroboscópica.
Perfilómetros ópticos basados en fibra
Los perfilómetros ópticos basados en fibra óptica escanean superficies con sondas ópticas que envían señales de interferencia de luz al detector de perfilómetro a través de una fibra óptica. Las sondas basadas en fibra se pueden ubicar físicamente a cientos de metros de la caja del detector, sin degradación de la señal. Las ventajas adicionales del uso de perfilómetros ópticos basados en fibra son la flexibilidad, la adquisición de perfiles largos, la robustez y la facilidad de incorporación a los procesos industriales. Con el pequeño diámetro de ciertas sondas, las superficies se pueden escanear incluso dentro de espacios de difícil acceso, como grietas estrechas o tubos de pequeño diámetro. [5] Debido a que estas sondas generalmente adquieren un punto a la vez y a altas velocidades de muestra, es posible la adquisición de perfiles de superficie largos (continuos). El escaneo puede tener lugar en entornos hostiles, incluidas temperaturas muy calientes o criogénicas , o en cámaras radiactivas, mientras el detector está ubicado a distancia, en un entorno seguro para los humanos. [6] Las sondas basadas en fibra se instalan fácilmente durante el proceso, como por ejemplo sobre bandas móviles o se montan en una variedad de sistemas de posicionamiento.
Ver también
Referencias
- ^ a b Jean M. Bennett, Lars Mattsson, Introducción a la rugosidad y dispersión de la superficie, Optical Society of America, Washington, DC
- ^ a b W J Walecki, F Szondy y MM Hilali, "Metrología de topografía superficial en línea rápida que permite el cálculo de esfuerzos para la fabricación de células solares para un rendimiento superior a 2000 obleas por hora" 2008 Meas. Sci. Technol. 19 025302 (6pp) doi : 10.1088 / 0957-0233 / 19/2/025302
- ^ Stout, KJ; Blunt, Liam (2000). Topografía de superficie tridimensional (2ª ed.). Penton Press. pag. 22. ISBN 978-1-85718-026-8.
- ^ Binnig, Gerd, Calvin F Quate y Ch Gerber (1986). " " Microscopio de fuerza atómica ". Cartas de revisión física 56.9 (1986): 930" . Cartas de revisión física . 56 (9): 930–933. doi : 10.1103 / PhysRevLett.56.930 . PMID 10033323 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Dufour, Marc; Lamouche, G .; Gauthier, B .; Padioleau, C .; Monchalin, JP (2006). "Inspección de piezas industriales de difícil acceso con sondas de diámetro pequeño" (PDF) . Sala de prensa SPIE . SPIE . doi : 10.1117 / 2.1200610.0467 . Consultado el 15 de diciembre de 2010 .
- ^ Dufour, ML; Lamouche, G .; Detalle, V .; Gauthier, B .; Sammut, P. (abril de 2005). "Interferometría de baja coherencia, una técnica avanzada para la metrología óptica en la industria" . Insight: Ensayos no destructivos y monitorización de condiciones . 47 (4): 216–219. CiteSeerX 10.1.1.159.5249 . doi : 10.1784 / insi.47.4.216.63149 . ISSN 1354-2575 .