调查探究重复性微孔内通过改变探针方法方向当地表面相互作用力检测探针类型gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

小洞的内部直径小于0.5毫米,通常称为小孔(gydF4y2BaMasuzawa, et al ., 1993gydF4y2Ba),被广泛用作喷墨打印机喷嘴内燃发动机喷油器喷孔,小孔的光学系统,在三维包装电子电路布线(gydF4y2Ba威尔逊,1995gydF4y2Ba;gydF4y2Ba花王和施,2007gydF4y2Ba;gydF4y2Ba佐藤,et al ., 2020gydF4y2Ba)。小孔的加工工件的表面控制疏水性(gydF4y2BaCai, et al ., 2018gydF4y2Ba)和摩擦学特性(gydF4y2Ba歌,et al ., 2018gydF4y2Ba)的表面也被研究过。因此,微孔加工是一种重要的技术在制造业。不同的制备方法,如小型机床(gydF4y2Ba阿齐兹,et al ., 2012gydF4y2Ba;gydF4y2Ba李,et al ., 2021gydF4y2Ba)、电火花加工(EDM) (gydF4y2Ba通,et al ., 2013gydF4y2Ba)和电化学放电加工(ECDM) (gydF4y2BaSaranya Sankar, 2018gydF4y2Ba;gydF4y2Ba阿拉伯人,et al ., 2019gydF4y2Ba),提出了实现小孔细内直径和形状精度高。激光加工加工,包括激光钻井,也广泛用于形成高纵横比的小孔,并可以用来形成小孔等各种材料的玻璃(gydF4y2Ba佐藤,et al ., 2020gydF4y2Ba)、金属(gydF4y2Ba佐藤,et al ., 2020gydF4y2Ba)、合金(gydF4y2Ba古普塔,et al ., 2016gydF4y2Ba;gydF4y2BaMarimuthu et al ., 2019gydF4y2Ba)、碳化硅(gydF4y2Ba克鲁格,et al ., 2007gydF4y2Ba),玻璃环氧树脂。此外,激光钻孔的加工时间通常短于在加工或电火花/ ECDM,和许多小孔在短时间内可以捏造没有刀具磨损。然而,内直径的小孔捏造激光钻井通常沿深度方向,软弱和小孔通常有一个锥形或桶横断面形状(gydF4y2Ba克鲁格,et al ., 2007gydF4y2Ba;gydF4y2Ba古普塔,et al ., 2016gydF4y2Ba;gydF4y2BaMarimuthu et al ., 2019gydF4y2Ba)。因此,内直径的小孔不一定配合表面的开口直径。已经完成了小孔内径测量的扫描电子显微镜(SEM)观察分裂微孔标本。这是一个破坏性的检验,样品制备是耗时。此外,很难计算几何公差,如小孔的平直度,通过SEM观察内部直径的测量。光学方法由MLP-3 (Mitaka Kohki有限公司有限公司)可以测量孔的内部无损,然而,有一个增加的可测量的深度和分辨率之间的权衡。gydF4y2Ba

坐标测量机(机)采用触觉探测系统提供一个实用的方法测量复杂的维度,包括内径和深度的小孔(gydF4y2BaWeckenmann, et al ., 2004gydF4y2Ba;gydF4y2BaClaverley Leach, 2015gydF4y2Ba)。近年来,使用微探针测量机将探针尖端直径小于1毫米的球,已经开发(gydF4y2BaWeckenmann, et al ., 2006gydF4y2Ba;gydF4y2BaWeckenmann和舒勒,2011年gydF4y2Ba;gydF4y2BaThalmann, et al ., 2016gydF4y2Ba)。因为内壁的位置可以直接由插入顶端球内部的微探针微孔,微孔的内径和形式可以无损测量(gydF4y2Ba村上,et al ., 2014gydF4y2Ba;gydF4y2BaElfurjani, et al ., 2016gydF4y2Ba)。在测量机使用触觉探索系统,实测点的变形或探针尖球由于触觉探针的测量力会导致测量误差(gydF4y2BaWeckenmann, et al ., 2004gydF4y2Ba;gydF4y2BaWeckenmann和舒勒,2011年gydF4y2Ba)。因此,探测系统与振动micro-styli开发减少测量部队(gydF4y2BaClaverley Leach, 2010gydF4y2Ba;gydF4y2BaBos, 2011gydF4y2Ba)。振动micro-styli探测的探测系统的振动状态的变化micro-styli由于探针尖端的断断续续的联系或相互作用力,和振动的变化作为触发信号探测。在之前的作品,作者的调查是由使用一个振动micro-stylus检测附近的局部表面的相互作用力测量工件的表面(gydF4y2Ba伊藤,et al ., 2016 agydF4y2Ba;gydF4y2BaIto et al ., 2016 bgydF4y2Ba;gydF4y2Ba陈,et al ., 2016gydF4y2Ba)。手写笔的笔沿着主轴振动轴微探针系统来检测周围的局部表面的相互作用力四面八方主要轴(gydF4y2Ba伊藤,et al ., 2020gydF4y2Ba)。然而,在圆柱销计探测,探测的色散坐标之间的分歧增加探测器接近方向和法线方向测量对象的变得更大。类似的研究,精密测量垂直侧墙的微观结构使用微探针系统执行(gydF4y2Ba李,et al ., 2018gydF4y2Ba;gydF4y2Ba梅斯,et al ., 2019gydF4y2Ba;gydF4y2Ba戴,et al ., 2020gydF4y2Ba)。在这些研究中,探索了在垂直平面,因此,探索重复性由于不同的探测器接近方向不集中。gydF4y2Ba

在这项研究中,微孔的内径测量是由使用微探针系统与局部表面相互作用力的方法检测。micro-stylus与小费球的直径小于50μm是捏造的探测内部微孔的毛细玻璃管的直径小于80μm。探测特征之间的分歧源于探测器接近微孔的方向和法线方向是评估的可重复性调查坐标。微孔的内径计算通过应用最小二乘方法来探测坐标。探测的影响可重复性的内径测量由于探测器接近方向估计的差异作为测量的不确定性。gydF4y2Ba

2实验方法gydF4y2Ba

2.1探针系统gydF4y2Ba

微探针的顶端形成一个球形由于维护一个统一的内部微孔形状在所有方向。micro-stylus的非球面的提示从一个玻璃毛细管制造。玻璃毛细管磨后通过热拉伸过程中,磨边玻璃管是融化在microforge使用铂金加热器(MF2 NARISHIGE)。融化的玻璃管的边缘自发形成一个球体,因为表面张力。gydF4y2Ba图1一个gydF4y2Ba显示一个缩影照片的球形micro-stylus提示从一个玻璃毛细管捏造。尖笔球的直径测量的光学显微镜(NH-3S, Mitaka Kohki) 0.1μm的横向分辨率。探针尖球的直径,gydF4y2Ba ${\mathrm{DgydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ 测量是39.1±0.2μm。根据先前的研究(gydF4y2BaIto et al ., 2016 agydF4y2Ba),由于运动误差的测量不确定性探针定位阶段可以减少当孔径尺寸之间的差异和探针尖球直径很小。热形成的micro-stylus画有一个锥形形状。micro-stylus的有效长度定义为长度从针头,针直径等于直径探针尖端领域。的有效长度micro-stylus本研究评估中使用2.0毫米。在调查期间,提示micro-stylus的振实平行检测的表面微孔内侧壁。gydF4y2Ba图1 bgydF4y2Ba显示了一个探针振动传感器的音叉石英晶体谐振器(TF-QCR)。micro-stylus可以检测到的振动通过石英晶体的压电效应。micro-stylus是固定在一个束TF-QCR使用胶水。的TF-QCR micro-stylus振实的gydF4y2BaZgydF4y2Ba方向由压电陶瓷换能器共振频率。名义TF-QCR的共振频率是32.768 kHz。gydF4y2Ba

当振动探针尖端接近工件的表面,微探针振动的共振频率变化是由于当地的表面的相互作用力。当地面相互作用力大致分为排斥力和吸引力。当地的排斥力主要是由接触或间歇接触振动的尖端探针和工件的表面(gydF4y2Ba美,et al ., 2014gydF4y2Ba)。当地的吸引力来源于各种非接触式交互等范鹿瓦尔斯力、静电力和表面的粘附力薄水层。在当地的排斥力徒的尖端探针,探针振动的共振频率增加。另一方面,探针的共振频率降低时,当地的吸引力是应用于振动探针。在这项研究中,共振频移量的绝对值的微探针振动检测和利用作为触发信号的探测。gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba显示了原型探针系统的配置。TF-QCR的振动信号是一个自定义的转换和放大电流-电压转换电路(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2BaVgydF4y2Ba转换器)。微探针振动的共振频率gydF4y2BafgydF4y2Ba_resgydF4y2Ba由一个自激移相器电路在商用振荡控制器(OC4 / RC4 Nanonis)。振荡控制器是专为调频(FM)检测在动态模式原子力显微镜(afm)和保持恒频、恒幅探针振动闭环控制。转变的微探针振动的共振频率由于局部表面的相互作用力,ΔgydF4y2BafgydF4y2Ba,检测锁相环(PLL)电路的振荡控制器,输出是直流电压信号对应的频移量。直流信号,称为ΔgydF4y2BafgydF4y2Ba信号,送入一个模拟/数字转换器(A / D) (usb - 6003,国家仪器)连接到个人电脑(PC)作为调查的触发信号。调查是由移动工件表面,表面方法的尖端探针,以避免噪声引起的机械振动的运动探测器(gydF4y2BaWeckenmann, et al ., 2006gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

测量工件放在样品持有人,是25毫米的高度,安装在一个移动的PZT-driven的表gydF4y2Bax y zgydF4y2Ba精细定位阶段(SFS-H60XYZ SIGMAKOKI)。阶段的位移表由内置capacitive-type位移传感器,测量和移动的位置表是由闭环控制。位移传感器安装30毫米以下表顶部的阶段。中风和解决好定位阶段在每个方向85μm和10海里。当Δ阶段位移gydF4y2BafgydF4y2Ba成为大于一定阈值采用调查协调。使测量工件上的小孔和探针的尖端,精细定位阶段是安装在移动表gydF4y2BaXYgydF4y2Ba粗定位阶段(SGSP-20-35 SIGMAKOKI)由步进电机驱动的。的中风和分辨率是35毫米和2μm粗定位阶段,分别。微孔和微探针的提示球对齐使用粗定位阶段和两个光学显微镜用于观察的gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向,同时。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示了小孔的故事。在这项研究中,一个示例盲目微孔激光处理的铜/环氧树指玻璃/铜基体上使用。微孔孔径的公称直径是80μm,微孔的轴向深度是55µm。gydF4y2Ba

2.2从探索坐标计算微孔直径gydF4y2Ba

微孔的内径计算基于获得的探测坐标,介绍了最小二乘法。虽然gydF4y2Bax y zgydF4y2Ba压电微探针系统可以沿着阶段gydF4y2BaXgydF4y2Ba,gydF4y2BaYgydF4y2Ba,gydF4y2BaZgydF4y2Ba相互重合,gydF4y2BaZgydF4y2Ba坐标定位的阶段在微孔内的探索一直保持不变。因此,半径,gydF4y2Ba $\mathrm{rgydF4y2Ba}$ 中心坐标,gydF4y2Ba $\mathrm{cgydF4y2Ba}\left(\mathrm{一个gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathrm{bgydF4y2Ba}\right)$ 近似圆的探测的探测坐标计算坐标gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba的方向。的距离gydF4y2Ba ${\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}$ 之间的任意探索坐标gydF4y2Ba ${\mathrm{pgydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}\left({\mathrm{xgydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}},gydF4y2Ba{\mathrm{ygydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}\right)$ 和一个近似的圆的半径gydF4y2Ba $\mathrm{rgydF4y2Ba}$ 可以表示为,gydF4y2Ba

最小二乘法,gydF4y2Ba $\mathrm{cgydF4y2Ba}\left(\mathrm{一个gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathrm{bgydF4y2Ba}\right)$ 和gydF4y2Ba $\mathrm{rgydF4y2Ba}$ 使用以下公式计算的平方和最小化gydF4y2Ba ${\mathrm{lgydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}$ :gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BangydF4y2Ba是探索坐标的数目,gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba,gydF4y2BaCgydF4y2Ba定义如下:gydF4y2Ba

中心坐标,gydF4y2Ba $\mathrm{cgydF4y2Ba}\left(\mathrm{一个gydF4y2Ba},gydF4y2Ba\mathrm{bgydF4y2Ba}\right)$ 和近似圆的半径,gydF4y2Ba $\mathrm{rgydF4y2Ba}$ ,可以通过求解方程式计算gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。然而,探索坐标通过位移传感器内置精细定位阶段是探针尖端的中心坐标球,不是探针尖端之间的接触点的坐标和测量工件。因此,微孔的内径是通过添加探针尖端的直径计算球。微孔的内径,由下列方程计算。gydF4y2Ba

在那里,gydF4y2Ba ${\mathrm{DgydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ 微探针尖球的直径。gydF4y2Ba

3实验结果与讨论gydF4y2Ba

3.1测量过程gydF4y2Ba

微探针系统使用在这项研究中,调查是由移动微孔样品使用细定位阶段。因此,微探针的位置是固定在实际测量。不过,为了简单起见,这里的过程解释使用微探针尖端的相对运动。−微孔样品的运动gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向的精细定位阶段对应的相对运动+微探针gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向,从此被称为探测的+gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向。gydF4y2Ba

有两种方法来测量孔的内径使用触觉探测系统。一个是拉近探针尖端沿法线方向的中心孔。这种方法被广泛用于商用宏观测量机。然而,它需要pre-measurement计算孔的中心位置。因此,相同的孔必须至少测两次,所以它是耗时的方法。另一种方法是将探针gydF4y2BaXYgydF4y2Ba沿着移动轴方向的定位阶段。因为这种方法可以测量从任何位置在洞内,内径可以由一组测量计算。然而,调查方法方向并不总是与微孔的正常方向一致。之间的分歧的影响探测器接近方向和法线方向上的微孔探测研究的可重复性。gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba显示了一个示意图轨迹的探针针尖在微孔探测的+gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向。确定微孔内表面的位置,+微探针感动gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向每秒10 nm的步骤。微探针坐标gydF4y2BaYgydF4y2Ba和gydF4y2BaZgydF4y2Ba方向保持不变gydF4y2Ba通过gydF4y2Ba闭环控制在探查+gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向。当频率的绝对值Δ转变gydF4y2BafgydF4y2Ba探针的振动超过给定的阈值,探针的位置是记录为探索坐标。调查是在同一重复五次gydF4y2BaYgydF4y2Ba的位置。然后,探针在随后5μm +gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向,探索在+gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向是在类似的方式重复。探索在−gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向是在同等条件下进行的。正如2.2节中提到的,近似的探测圈的中心坐标可以通过最小二乘法计算。gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba显示了一个示意图之间的分歧的方向和法线方向微孔探针方法。之间的分歧被定义为角度,调查方法方向和法线方向的微孔。gydF4y2Ba

3.2探索重复性和内径的计算gydF4y2Ba

微孔内的探索进行了深度的30μm衬底的表面。微探针振动的共振频率是32.331 kHz,Δ的阈值gydF4y2BafgydF4y2Ba为探索被设置为0.38赫兹。蓝色的情节gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba表明探测的平均值坐标在同一位置重复五次获得通过移动探针尖端接近±微孔的内壁gydF4y2BaXgydF4y2Ba的方向。的误差gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba显示最大和最小探测沿坐标gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向。调查后+gydF4y2BaXgydF4y2Ba−方向,探索gydF4y2BaXgydF4y2Ba立即进行相反方向微孔的内壁。因为只有细定位阶段感动在微孔内的探测,探测坐标计算位移的精细定位阶段。灰色的线和图所示gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba是近似圆和中心坐标的探测坐标计算的最小二乘法。计算近似圆的直径是48.2μm,因此,微孔的内径是87.3μm评估。的虚线gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba显示了最小外接圆和最大内切圆的平均值计算gydF4y2BaXgydF4y2Ba在每个探测位置定向坐标。半径的差异之间的最小外接圆和最大内切圆μm评估是2.51。尽管差异最小外接圆半径和最大内切圆的球形而异尖球微探针和微孔的圆度,也是受调查的可重复性坐标。因此,预计半径不同的改进将减少探测可重复性。gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba显示的分歧之间的关系gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 法线方向的微孔和的标准差gydF4y2BaXgydF4y2Ba探测位置的坐标。标准偏差的最大值+gydF4y2BaXgydF4y2Ba0.24μm方向gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{+gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 55.23°。——同样,标准偏差的最大值gydF4y2BaXgydF4y2Ba1.26μm方向gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{-gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 79.2°。相关系数的标准差探测坐标的绝对值的分歧gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{+gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 和gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{-gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 分别为0.605和0.840,计算。因此,它被证实的标准差探测坐标往往随着的增加而增加gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 。gydF4y2Ba

蓝色的情节gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba显示了平均探测坐标在同一位置重复五次获得通过移动探针尖端接近相同的微孔的内壁±gydF4y2BaYgydF4y2Ba的方向。的误差gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba显示最大和最小探测沿坐标gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向。灰色的线和图所示gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba表明近似圆和中心坐标的探测坐标计算的最小二乘法。计算近似圆的直径是49.4μm,因此,微孔的内径是88.5μm评估。的虚线gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba显示了最小外接圆和最大内切圆的平均值计算gydF4y2BaYgydF4y2Ba在每个探测位置定向坐标。半径的差异之间的最小外接圆和最大内切圆μm评估是2.35。gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba显示了分歧之间的关系gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 法线方向的微孔和的标准差gydF4y2BaYgydF4y2Ba探测位置的坐标。标准偏差的最大值+gydF4y2BaYgydF4y2Ba0.61μm方向gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{+gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 75.80°。同样,在−标准偏差的最大值gydF4y2BaYgydF4y2Ba0.53μm方向gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{-gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 20.89°。在+gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向,标准偏差的相关系数的绝对值探测坐标的分歧gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{+gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 计算是0.614,所以越来越倾向的标准差由于分歧gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{+gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 是证实。另一方面,分歧的相关系数gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{-gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 计算是0.162,未找到相关。gydF4y2Ba

为了执行探测周围四面八方gydF4y2BaZgydF4y2Ba设在微孔,gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 和gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 必须被设置为45°和更多。作为探针之间的分歧的绝对值逼近方向和法线方向测量微孔,探索坐标的标准差往往是增加,如图所示gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba9gydF4y2Ba。为了执行探测周围四面八方gydF4y2BaZgydF4y2Ba设在微孔,gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 和gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 至少必须设置为45°。因此,探索坐标的分歧gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 和gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 采用在45°,微孔的内径计算一次。蓝色的情节gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba显示了平均探测在微孔的坐标gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向范围内满足gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ < 45°,gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ < 45°。gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba显示了调查结果gydF4y2BaXgydF4y2Ba方向,近似圆的直径和微孔被重新计算μmμm 48.0和87.1,分别。半径的差异之间的最小外接圆和最大内切圆的近似圆μm评估是1.80,比所示,它变得更小gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。同样的,gydF4y2Ba图10 bgydF4y2Ba显示了调查结果gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向,近似圆的直径和微孔被重新计算μmμm 49.6和88.7,分别。半径的差异之间的最小外接圆和最大内切圆的近似圆μm评估是2.22,比所示,它变得越来越小gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba。微孔的直径的差异gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba方向可能是由于微孔和探针尖端的变形球。另一方面,它是确认的可重复性探查可以提高通过限制之间的分歧探测器接近方向和法线方向测量微孔。gydF4y2Ba

3.3内径测量的不确定性分析gydF4y2Ba

评估的微孔内径测量的准确性,gydF4y2Ba $\mathrm{DgydF4y2Ba}$ 进行不确定性分析,每一项在情商。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba基于胶(ISOgydF4y2Ba测量不确定度表达指南gydF4y2Ba)(gydF4y2BaJCGM 100、2008gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba显示了不确定性的一个总结预算微孔内径的测量。室温和其稳定性的测量微孔测量是20°C±2°C。合并后的标准的不确定性”gydF4y2Ba ${\mathrm{DgydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ “在情商。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba被定义为gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ 。因为探针尖球的直径测量的光学显微镜水平分辨率为100 nm,测量的标准不确定度的探针针尖球双韵脚估计为28.9 nm的一半宽度的横向分辨率光学显微镜。探针的测量齿顶圆直径是重复两次在两个正交方向的视野内的光学显微镜。因此,探针的直径测量的重复性,gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{pgydF4y2Ba}\mathrm{dgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}}$ 基础上,计算了200纳米探针针尖直径测量的误差范围。热影响探针尖球直径,gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{pgydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{hgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}$ 是评估调查材料的热膨胀系数和温度变化的测量。热膨胀系数的探针尖球,硼硅玻璃制成的,它是3.25×10gydF4y2Ba^{−6gydF4y2Ba}/ K。根据温度变化在测量上面提到的,gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{pgydF4y2Ba}\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{hgydF4y2Ba}\mathrm{egydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}\mathrm{米gydF4y2Ba}\mathrm{一个gydF4y2Ba}\mathrm{lgydF4y2Ba}}$ 计算是0.1海里,被忽视gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。因此,探头尖端直径的不确定性gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{tgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{pgydF4y2Ba}}$ 评估是202.1海里。gydF4y2Ba

因为“gydF4y2Ba $\mathrm{2gydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}$ “在情商。gydF4y2Ba6gydF4y2Ba通过应用最小二乘法计算探测坐标,合并后的不确定性”gydF4y2Ba $\mathrm{rgydF4y2Ba}$ ”被定义为gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}\mathrm{ogydF4y2Ba}\mathrm{bgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{ngydF4y2Ba}\mathrm{ggydF4y2Ba}}$ 。探测的标准不确定度计算标准差的基础上探索协调内部的微孔。在测量范围内gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}\right|$ 和gydF4y2Ba $\left|{\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{\pm gydF4y2Ba\mathrm{YgydF4y2Ba}}\right|$ 45°,标准偏差的最大值的探索在同一位置坐标计算是0.58毫米gydF4y2Ba ${\mathrm{\theta gydF4y2Ba}}_{-gydF4y2Ba\mathrm{XgydF4y2Ba}}=gydF4y2Ba\mathrm{39.0gydF4y2Ba}$ °。调查将是5的数量,和标准的不确定性计算的重复性调查是261.3海里。探索capacitive-type坐标测量的位移传感器内置闭环控制PZT-driven好定位gydF4y2BaXYgydF4y2Ba阶段。因为好定位的定位精度gydF4y2BaXYgydF4y2Ba阶段10 nm,标准的不确定性,由于探测坐标的定位精度评估是5.8海里gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba分别的方向。之间有一个偏移量的电容式位移传感器测量轴定位阶段和探针的尖端。因此,它不满足阿贝原则的。在舞台的倾斜误差表gydF4y2BaXgydF4y2Ba和gydF4y2BaYgydF4y2Ba相互重合的精细定位阶段被称为滚动和俯仰在这项研究中,俯仰和滚分别为估计为0.5”。抵消的精细定位阶段的位移传感器的探针是55毫米,和阿贝误差计算133海里。因此,标准的不确定性来源于微探针的阿贝误差估计为77海里。因此,探索的不确定性gydF4y2Ba ${\mathrm{ugydF4y2Ba}}_{\mathrm{pgydF4y2Ba}\mathrm{rgydF4y2Ba}\mathrm{ogydF4y2Ba}\mathrm{bgydF4y2Ba}\mathrm{我gydF4y2Ba}\mathrm{ngydF4y2Ba}\mathrm{ggydF4y2Ba}}$ 评估是283.2海里。gydF4y2Ba

微孔的内径随室温。玻璃环氧树脂的热膨胀系数与小孔是1.4×10gydF4y2Ba^{−5gydF4y2Ba}/ K。根据室温稳定测量期间,微孔的内径标准不确定度的计算是1.4海里。所有的B型不确定性来源被认为有一个矩形覆盖系数的概率分布gydF4y2Ba $\sqrt{\mathrm{3gydF4y2Ba}}$ 。因此,微孔内径测量的扩展不确定度U估计为695.8 nm (gydF4y2BakgydF4y2Ba= 2)。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

微孔的内径是由一个微探针测量系统使用方法的局部表面相互作用力检测。执行探测内部微孔,微孔的内径是通过应用最小二乘方法计算一个圆到探测坐标和探头尖端直径。因此,微孔的内径的测量是实现无损。虽然探索坐标的内部微孔可以检测到sub-micrometric重复性,恶化的探测重复性由于分歧探测器接近的方向和法线方向微孔被验证。可以减少色散的影响探测器的探测坐标通过限制分歧接近方向的法线方向的微孔。该方法将适用于其他内部形状,然而,可测量的形状和尺寸,尤其是可测量的深度是有限的有效长度的探针针。因此,伸长的微针将扩大该方法的适用性。扩展不确定度的微孔的内径测量估计为695.8 nm (gydF4y2BakgydF4y2Ba= 2),和不确定性的主要来源之一是探索的可重复性。的其他来源的不确定性的测量探针尖球直径,所以探测器的精密测量和校准齿顶圆直径将成为未来的问题。此外,三维测量小孔将需要调查调查的影响由于盲孔底部的可重复性。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

马在实验结果的数据分析和写作手稿。如果规划研究工作,进行实验和写作手稿。DK在实验设备的开发和实验工作。公里建议对实验设备的发展。KK计算测量的不确定性。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

这项研究受到了日本促进社会科学(jsp) KAKENHI格兰特(20 k04195)数量。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

本研究中使用的微孔样品制备与三菱电机公司的合作。作者要感谢Takanori宫崎骏先生,吴克群Ito先生和Yukitoshi奖赏参与样品制备。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba