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Un perfilómetro es un instrumento de medición que se utiliza para medir el perfil de una superficie y cuantificar su rugosidad . A partir de la topografía de la superficie, se calculan dimensiones críticas como el escalón, la curvatura y la planitud.
Si bien la concepción histórica del perfilómetro era la de un dispositivo similar a un fonógrafo que medía una superficie a medida que esta se movía con respecto al lápiz del perfilómetro de contacto , esta noción está cambiando con la aparición de numerosas técnicas de perfilometría sin contacto.
Las tecnologías sin escaneo miden la topografía de la superficie con una sola adquisición de cámara, eliminando la necesidad del escaneo XYZ. En consecuencia, los cambios dinámicos de la topografía se miden en tiempo real. Los perfilómetros actuales no solo miden la topografía estática, sino también la dinámica; estos sistemas se denominan perfilómetros con resolución temporal.
Tipos
Los métodos ópticos [ 1 ] [ 2 ] incluyen métodos basados en interferometría , como la microscopía holográfica digital , la interferometría de escaneo vertical / interferometría de luz blanca , la interferometría de cambio de fase y la microscopía de contraste de interferencia diferencial (microscopía de Nomarski); métodos de detección de enfoque, como la detección de intensidad, la variación de enfoque , la detección diferencial, el método del ángulo crítico, el método astigmático, el método de Foucault y la microscopía confocal ; métodos de proyección de patrones, como la proyección de franjas , la perfilometría de Fourier , el Moire y los métodos de reflexión de patrones .
Los métodos de contacto y pseudocontacto [ 1 ] [ 2 ] incluyen el perfilómetro de palpador (perfilómetro mecánico), [ 3 ] la microscopía de fuerza atómica , [ 4 ] y la microscopía de efecto túnel.
Perfilómetros de contacto
Un lápiz de diamante se mueve verticalmente en contacto con una muestra y luego lateralmente sobre ella a lo largo de una distancia y con una fuerza de contacto específicas. Un perfilómetro puede medir pequeñas variaciones superficiales en el desplazamiento vertical del lápiz en función de su posición. Un perfilómetro típico puede medir pequeñas características verticales con alturas que oscilan entre 10 nanómetros y 1 milímetro. La posición del lápiz de diamante genera una señal analógica que se convierte en digital, se almacena, se analiza y se muestra. El radio del lápiz de diamante varía entre 20 nanómetros y 50 μm, y la resolución horizontal se controla mediante la velocidad de escaneo y la frecuencia de muestreo de la señal de datos. La fuerza de seguimiento del lápiz puede variar entre menos de 1 y 50 miligramos.
Las ventajas de los perfilómetros de contacto incluyen la aceptación, la independencia de la superficie y la resolución; además, se trata de una técnica directa que no requiere modelado. La mayoría de las normas mundiales de acabado superficial están diseñadas para perfilómetros de contacto. Para seguir la metodología prescrita, este tipo de perfilómetro suele ser necesario. El contacto con la superficie suele ser ventajoso en entornos sucios, donde los métodos sin contacto pueden medir contaminantes superficiales en lugar de la superficie misma. Dado que el palpador está en contacto con la superficie, este método no es sensible a la reflectancia ni al color de la superficie. El radio de la punta del palpador puede ser tan pequeño como 20 nanómetros, significativamente mejor que el perfilado óptico con luz blanca. La resolución vertical también suele ser subnanométrica.
Perfilómetros sin contacto
Un perfilómetro óptico es un método sin contacto que proporciona gran parte de la misma información que un perfilómetro basado en palpador. Existen diversas técnicas que se emplean actualmente, como la triangulación láser ( sensor de triangulación ), la microscopía confocal (utilizada para perfilar objetos muy pequeños), la interferometría de escaneo de coherencia y la holografía digital .
Las ventajas de los perfilómetros ópticos son la velocidad, la fiabilidad y el tamaño del punto. Para pasos pequeños y requisitos de escaneo 3D, dado que el perfilómetro sin contacto no toca la superficie, la velocidad de escaneo está determinada por la luz reflejada por la superficie y la velocidad de la electrónica de adquisición. Para pasos grandes, un escaneo 3D con un perfilómetro óptico puede ser mucho más lento que un escaneo 2D con un perfilómetro de contacto. Los perfilómetros ópticos no tocan la superficie y, por lo tanto, no pueden dañarse por el desgaste de la superficie ni 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 con 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 una única adquisición de cámara, por lo que 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 con resolución temporal permiten medir los cambios topográficos, como la regeneración de materiales inteligentes o la medición de muestras en movimiento. Los perfilómetros con resolución temporal se pueden combinar con una unidad estroboscópica para medir las vibraciones de los MEMS en el rango de MHz. La unidad estroboscópica proporciona la señal de excitación a los MEMS y la señal de disparo a la fuente de luz y a la cámara.
La ventaja de los perfilómetros con resolución temporal radica en su robustez frente a las vibraciones. A diferencia de los métodos de escaneo, el tiempo de adquisición de un perfilómetro con resolución temporal se sitúa en el rango de los milisegundos. No se requiere calibración vertical: la medición vertical no depende de un mecanismo de escaneo, ya que la medición vertical mediante microscopía holográfica digital cuenta con una calibración vertical intrínseca basada en la longitud de onda de la fuente láser. Las muestras no son estáticas y su topografía responde a estímulos externos. Mediante la medición en vuelo, se adquiere la topografía de una muestra en movimiento con un breve tiempo de exposición. La medición de vibraciones mediante MEMS se puede realizar combinando el sistema 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 del perfilómetro a través de una fibra óptica. Las sondas basadas en fibra pueden ubicarse físicamente a cientos de metros de la carcasa del detector, sin degradación de la señal. Las ventajas adicionales de usar perfilómetros ópticos basados en fibra son la flexibilidad, la adquisición de perfiles largos, la robustez y la facilidad de incorporación a procesos industriales. Gracias al pequeño diámetro de ciertas sondas, se pueden escanear superficies 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 muestreo, es posible obtener perfiles de superficie largos (continuos). El escaneo puede realizarse en entornos hostiles, incluyendo temperaturas muy altas o criogénicas , o en cámaras radiactivas, mientras que el detector se encuentra a distancia, en un entorno seguro para las personas. [ 6 ] Las sondas basadas en fibra se instalan fácilmente durante el proceso, por ejemplo, sobre bandas en movimiento o montadas en diversos sistemas de posicionamiento.
Aplicaciones
Un perfilómetro de surcos se utiliza para medir la geometría de la sección transversal de surcos y ondulaciones, y es importante en las evaluaciones de surcos. [ 7 ]
Análisis de superficies y control de calidad
Los perfilómetros se utilizan ampliamente para evaluar el acabado superficial, la textura y la rugosidad en diversos procesos industriales. Detectan desviaciones de las especificaciones superficiales deseadas y facilitan el control de calidad en el sector manufacturero.
Semiconductores y microelectrónica
En la fabricación de dispositivos semiconductores, los perfilómetros son esenciales para analizar la topografía de la superficie, la altura de los escalones y las estructuras de las películas delgadas. Ayudan a supervisar los procesos de grabado, deposición y litografía.
Dispositivos médicos y biomateriales
La perfilometría se emplea en la inspección de implantes y superficies biomédicas, garantizando la biocompatibilidad y las características funcionales de la superficie.
Fabricación de componentes ópticos
Los perfilómetros son fundamentales para inspeccionar componentes ópticos de precisión, como espejos láser, prismas y superficies planas de vidrio superpulidas, donde a menudo se requiere una rugosidad subnanométrica.
Perfilado de superficies 3D y nanotecnología
Los perfilómetros avanzados permiten la caracterización de superficies en 3D de alta resolución en campos como los MEMS (sistemas microelectromecánicos), la microfluídica y la nanotecnología, donde la medición precisa de estructuras a micro y nanoescala es esencial.
Energía renovable y superficies fotovoltaicas
Los perfilómetros se utilizan cada vez más en la caracterización de superficies texturizadas en células fotovoltaicas (FV). Las mediciones precisas de la topografía de la superficie ayudan a optimizar la captación de luz y la pasivación de la superficie en las células solares, mejorando su eficiencia y durabilidad. [ 8 ]
Véase también
Referencias
- 1 2 Jean M. Bennett, Lars Mattsson, Introducción a la rugosidad superficial y la dispersión, Optical Society of America, Washington, DC
- 1 2 W J Walecki, F Szondy y MM Hilali, "Metrología rápida de topografía de superficie en línea que permite el cálculo de tensiones para la fabricación de células solares con un rendimiento superior a 2000 obleas por hora" 2008 Meas. Sci. Technol. 19 025302 (6 págs.) doi : 10.1088/0957-0233/19/2/025302
- ↑ Stout, KJ; Blunt, Liam (2000). Topografía de superficies tridimensionales (2.ª ed.). Penton Press. pág. 22. ISBN 978-1-85718-026-8.
- ↑ Binnig, Gerd; Quate, Calvin F; Gerber, Ch (1986). "Microscopio de fuerza atómica" . Physical Review Letters . 56 (9): 930– 933. doi : 10.1103/PhysRevLett.56.930 . PMID 10033323 .
- ↑ Dufour, Marc; Lamouche, G.; Gauthier, B.; Padioleau, C.; Monchalin, JP (2006). "Inspección de piezas industriales de difícil acceso mediante sondas de pequeño diámetro" (PDF) . Sala de prensa de SPIE . SPIE . doi : 10.1117/2.1200610.0467 . S2CID 120476700. 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 .
- ↑ Cahoon, Joel E. (enero de 1995). "Definición de la sección transversal del surco" . Journal of Irrigation and Drainage Engineering . 121 (1): 114– 119. doi : 10.1061/(ASCE)0733-9437(1995)121:1(114) . ISSN 0733-9437 .
- ↑ Chen, Xiaoqin; Zhou, Yin (2012). "Topografía superficial y análisis de textura de obleas de silicio para aplicaciones fotovoltaicas mediante perfilometría óptica" . Applied Surface Science . 258 (6): 2224– 2230. doi : 10.1016/j.apsusc.2011.09.099 .
Enlaces externos
- Instrumentos dimensionales
- Instrumentos de medición para el trabajo del metal