Un perfilómetro es un instrumento de medición que se utiliza para medir el perfil de una superficie , con el fin de cuantificar su rugosidad . Las dimensiones críticas como el escalón, la curvatura y la planitud se calculan a partir de la topografía de la superficie.
Si bien la noción histórica de un perfilómetro era la de un dispositivo similar a un fonógrafo que mide una superficie a medida que esta se mueve en relación con la aguja del perfilómetro de contacto , esta noción está cambiando con el surgimiento de numerosas técnicas de perfilometría sin contacto.
Las tecnologías sin escaneo miden la topografía de la superficie con una sola adquisición de cámara, por lo que ya no es necesario el escaneo XYZ. Como consecuencia, los cambios dinámicos de la topografía se miden en tiempo real. Los perfilómetros modernos no solo miden la topografía estática, sino también la topografía dinámica; estos sistemas se describen como perfilómetros de resolución temporal.
Los métodos ópticos [1] [2] incluyen métodos basados en interferometría , 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 de patrones, como proyección de franjas , perfilometría de Fourier , Moire y métodos de reflexión de patrones.
Los métodos de contacto y pseudocontacto [1] [2] incluyen el perfilómetro de aguja (perfilómetro mecánico), [3] la microscopía de fuerza atómica , [4] y la microscopía de efecto túnel de barrido.
Un palpador de diamante se mueve verticalmente en contacto con una muestra y luego se mueve lateralmente a través de la muestra a una distancia especificada y con una fuerza de contacto especificada. Un perfilómetro puede medir pequeñas variaciones de superficie en el desplazamiento vertical del palpador en función de la posición. Un perfilómetro típico puede medir pequeñas características verticales cuya altura varía de 10 nanómetros a 1 milímetro. La posición de altura del palpador de diamante genera una señal analógica que se convierte en una señal digital, se almacena, se analiza y se muestra. El radio del palpador 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 del palpador puede variar de menos de 1 a 50 miligramos.
Las ventajas de los perfilómetros de contacto incluyen la aceptación, la independencia de la superficie, la resolución y que es una técnica directa que no requiere modelado. La mayoría de las normas de acabado de superficies del mundo están escritas para perfilómetros de contacto. Para seguir la metodología prescrita, a menudo se requiere este tipo de perfilómetro. El contacto con la superficie suele ser una ventaja en entornos sucios donde los métodos sin contacto pueden terminar midiendo 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 el color de la superficie. El radio de la punta de la aguja puede ser tan pequeño como 20 nanómetros, significativamente mejor que el perfilado óptico con luz blanca. La resolución vertical también suele ser subnanómetro.
Un perfilómetro óptico es un método sin contacto que proporciona gran parte de la información que proporciona un perfilómetro con aguja. Existen muchas técnicas diferentes que se están empleando actualmente, como la triangulación láser ( sensor de triangulación ), la microscopía confocal (utilizada para perfilar objetos muy pequeños), la interferometría de barrido de coherencia y la holografía digital .
Las ventajas de los perfilómetros ópticos son la velocidad, la fiabilidad y el tamaño del punto de escaneo. Para pasos pequeños y requisitos de 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 pasos grandes, un escaneo 3D en un perfilador óptico puede ser mucho más lento que un escaneo 2D en un perfilador de aguja. 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 de escaneo, o resolución lateral, de los métodos ópticos varía desde unos pocos micrómetros hasta submicrómetros.
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 adquisición de una sola 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 cuadros de 1000 fps. Los sistemas con resolución temporal permiten la medición de cambios topográficos, como la curación de materiales inteligentes o la medición de muestras en movimiento. Los perfilómetros con resolución temporal se pueden combinar con una unidad estroboscópica para medir vibraciones MEMS en el rango de MHz. La unidad estroboscópica proporciona una señal de excitación a los MEMS y proporciona una señal de activación a la fuente de luz y a 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 de los perfilómetros de resolución temporal 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 de la microscopía holográfica digital tiene una calibración vertical intrínseca basada en la longitud de onda de la fuente láser. Las muestras no son estáticas y existe 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.
Los perfilómetros ópticos basados en fibra óptica escanean superficies con sondas ópticas que envían señales de interferencia de luz de vuelta al detector del perfilómetro a través de una fibra óptica. Las sondas basadas en fibra pueden ubicarse físicamente a cientos de metros de distancia del recinto del detector, sin degradación de la señal. Las ventajas adicionales de utilizar perfilómetros ópticos basados en fibra son la flexibilidad, la adquisición de perfiles largos, la robustez y la facilidad de incorporación a procesos industriales. Con el pequeño diámetro de ciertas sondas, las superficies pueden escanearse incluso dentro de espacios de difícil acceso, como grietas estrechas o tubos de diámetro pequeño. [5]
Debido a que estas sondas generalmente adquieren un punto a la vez y a altas velocidades de muestreo, es posible la adquisición de perfiles de superficie largos (continuos). El escaneo puede realizarse en entornos hostiles, incluidas temperaturas muy altas o criogénicas , o en cámaras radiactivas, mientras que el detector se encuentra 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 redes en movimiento o se montan en una variedad de sistemas de posicionamiento.
Un perfilómetro de surcos se utiliza para medir la geometría transversal de surcos y corrugaciones, y es importante en las evaluaciones de surcos. [7]
