薄膜厚度的常用測量方法

      薄膜厚度是否均勻一致是檢測薄膜各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)。很顯然，倘若一批單層薄膜厚度不均勻，不但會影響到薄膜各處的拉伸強(qiáng)度、阻隔性等，更會影響薄膜的后續(xù)加工。對于復(fù)合薄膜，厚度的均勻性更加重要，只有整體厚度均勻，每一層樹脂的厚度才可能均勻。因此，薄膜厚度是否均勻，是否與預(yù)設(shè)值一致，厚度偏差是否在指定的范圍內(nèi)，這些都成為薄膜是否能夠具有某些特性指標(biāo)的前提。薄膜厚度測量是薄膜制造業(yè)的基礎(chǔ)檢測項(xiàng)目之一。
1. 包裝材料厚度的測試
ZUI早用于薄膜厚度測量的是非在線測厚技術(shù)。之后，隨著射線技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸研制出與薄膜生產(chǎn)線安裝在一起的在線測厚設(shè)備。上個世紀(jì)60年代在線測厚技術(shù)就已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在更能夠檢測薄膜某一涂層的厚度。同時，非在線測厚技術(shù)也有了長足的發(fā)展，各種非在線測試技術(shù)紛紛興起。在線測厚技術(shù)與非在線測厚技術(shù)在測試原理上完全不同，在線測厚技術(shù)一般采用射線技術(shù)等非接觸式測量法，非在線測厚技術(shù)一般采用機(jī)械測量法或者基于電渦流技術(shù)或電磁感應(yīng)原理的測量法，也有采用光學(xué)測厚技術(shù)、超聲波測厚技術(shù)的。
2. 在線測厚
較為常見的在線測厚技術(shù)有β射線技術(shù)，X射線技術(shù)和近紅外技術(shù)。

2.1 β射線技術(shù) β射線技術(shù)是ZUI先應(yīng)用于在線測厚技術(shù)上的射線技術(shù)，在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)廣泛用于超薄薄膜的在線厚度測量了。它對于測量物沒有要求，但β傳感器對溫度和大氣壓的變化、以及薄膜上下波動敏感，設(shè)備對于輻射保護(hù)裝置要求很高，而且信號源更換費(fèi)用昂貴， Pm147源可用5-6年，Kr85源可用10年，更換費(fèi)用均在6000美元左右。

2.2 X射線技術(shù)這種技術(shù)極少為薄膜生產(chǎn)線所采用。X光管壽命短，更換費(fèi)用昂貴，一般可用2-3年，更換費(fèi)用在5000美元左右，而且不適用于測量由多種元素構(gòu)成的聚合物，信號源放射性強(qiáng)。X射線技術(shù)常用于鋼板等單一元素的測量。

2.3 近紅外技術(shù)近紅外技術(shù)在在線測厚領(lǐng)域的應(yīng)用曾受到條紋干涉現(xiàn)象的影響，但現(xiàn)在近紅外技術(shù)已經(jīng)突破了條紋干涉現(xiàn)象對于超薄薄膜厚度測量的限制，完全可以進(jìn)行多層薄膜總厚度的測量，并且由于紅外技術(shù)自身的特點(diǎn)，還可以在測量復(fù)合薄膜總厚度的同時給出每一層材料的厚度。近紅外技術(shù)可用于雙向拉伸薄膜、流延膜和多層共擠薄膜，信號源無放射性，設(shè)備維護(hù)難度相對較低。

2.4 在線測厚設(shè)備的應(yīng)用情況在線測厚能夠以ZUI快的速度獲取厚度測試數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整生產(chǎn)線的參數(shù)，縮短開車時間。但是在線測厚設(shè)備必須配備與生產(chǎn)線相匹配的掃描架，這在一定程度上限制了在線測厚設(shè)備的重復(fù)利用。而且由于薄膜生產(chǎn)線往往需要長期連續(xù)工作，因此相應(yīng)的在線測厚設(shè)備也就必須長期工作。在設(shè)備的價格上，在線測試設(shè)備一般要比非在線測試設(shè)備貴很多，而且前者的運(yùn)行費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用也比較高。
3. 非在線測厚
非在線測厚技術(shù)主要有—接觸式測量法和非接觸式測量法兩類，接觸式測量法主要是機(jī)械測量法，非接觸式測量法包括光學(xué)測量法、電渦流測量法、超聲波測量法等。由于非在線測厚設(shè)備價格便宜、體積小等原因，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

3.1 渦流測厚儀和磁性測厚儀渦流測厚儀和磁性測厚儀一般都是小型便攜式設(shè)備，分別利用了電渦流原理和電磁感應(yīng)原理。專用于各種特定涂層厚度的測量，用于測量薄膜、紙張的厚度時有出現(xiàn)誤差的可能。

3.2 超聲波測厚儀超聲波測厚儀也多是小型便攜式設(shè)備，利用超聲波反射原理，可測金屬、塑料、陶瓷、玻璃以及其它任何超聲波良導(dǎo)體的厚度。可在高溫下工作，這是很多其它類型的測厚儀所不具備的，但對檢測試樣的種類具有選擇性。

3.3 光學(xué)測厚儀利用光學(xué)原理。從測試原理上來說光學(xué)測厚儀可達(dá)到極高的測試精度，但是這類測厚儀在使用及維護(hù)上要求極高：必須遠(yuǎn)離振源；嚴(yán)格防塵；專業(yè)操作及維護(hù)等。使用范圍較窄，僅適用于復(fù)合層數(shù)較少的復(fù)合膜。

3.4 機(jī)械測厚儀機(jī)械測厚儀可以分為點(diǎn)接觸式和面接觸式兩類，是一種接觸式測厚方法，它與非接觸式測厚方法有著本質(zhì)的區(qū)別——能夠在進(jìn)行厚度測量前給試樣測量表面施加一定的壓力（點(diǎn)接觸力或面接觸力），這樣可以避免在使用非接觸式測厚儀測量那些具有一定壓縮性、表面高低不平的材料時可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動較大的現(xiàn)象。機(jī)械測厚儀采用ZUI傳統(tǒng)的測厚方法，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，對試樣沒有選擇性。由于機(jī)械測厚儀的測試精度主要取決于測厚元件的精度，所以市場上的機(jī)械測厚儀的測試精度參差不齊。此外，機(jī)械測厚儀的核心元件——測量頭及測量面——對于微小的振動都十分敏感，所以在有振源的環(huán)境中測量精度沒有任何意義。為了避免自身的振動，并盡可能地減少外界振動的影響，設(shè)備底座都采用重而寬的金屬制成，這在一定程度上保證了測厚精度，卻也給機(jī)械測厚儀的小型化和輕便化帶來了很大的困難。環(huán)境溫度和風(fēng)速同樣可以影響傳感器的精度，因此必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)使用。國際上制定了很多關(guān)于機(jī)械式測厚設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)（這在包裝材料測厚領(lǐng)域內(nèi)是比較罕見的，其它類型的測厚設(shè)備少有標(biāo)準(zhǔn)的支持），ISO 534：1988，ISO 4593：1993，ASTM D 645-97，GB/T 6672-2001等。需要指出的是，常見的機(jī)械測厚儀有點(diǎn)接觸式測厚儀和面接觸式測厚儀兩類，由于測量頭與試樣的接觸面積不同，測量頭的施力不同，施力速度不同，相同的試樣（這里假設(shè)厚度均勻一致）使用這兩類測厚儀很可能得到不同的測試結(jié)果，這主要是由于可壓縮試樣在不同的情況下產(chǎn)生的形變率往往不相同。因此，在選擇機(jī)械測厚儀測試時必須嚴(yán)格執(zhí)行所參照標(biāo)準(zhǔn)的測試條件和測試要求。

3.5 非在線測厚設(shè)備的應(yīng)用情況 非在線測厚設(shè)備的銷售量要比在線測厚設(shè)備大一些，一方面，它的價格便宜；另一方面，相對于在線測厚設(shè)備，非在線測厚儀器都可以比較方便的搬運(yùn)移動；再有，非在線測厚設(shè)備的使用與在線測厚設(shè)備的使用并不沖突，兩者可以有效配合，提高產(chǎn)品合格率。對于某些試樣使用不同的測厚儀可能會得到不同結(jié)果，這一方面是由于各種測厚儀的測試原理差異較大，除機(jī)械測厚儀外的其它類型測厚儀往往對試樣的材質(zhì)具有選擇性，通用性較差；另一方面，軟包材多數(shù)具有可壓縮性。蘭光今年成功開發(fā)出國內(nèi)**款超高精度的機(jī)械測厚儀CHY-C1，測試分辨率在0.1μm，如此高精度的機(jī)械測厚儀在國際上也是很罕見的，因此蘭光CHY-C1測厚儀的推出在我國包裝行業(yè)內(nèi)引起了巨大的轟動。
4. 軟包裝材料的特性
常見的軟包材主要是由聚合物和紙制品加工制造的。聚合物分為橡膠、纖維、和塑料三大類。橡膠的特性是在室溫下彈性高，即在很小的外力作用下，能產(chǎn)生很大的形變；外力去除后能迅速恢復(fù)原狀，彈性模數(shù)小，約為105～106N/m2。相反，纖維的彈性模數(shù)較大，約為109～1010N/m2，受力時形變較小。塑料的彈性模數(shù)約為107～108N/m2，部分形變是可逆的，也有一部分則是永久形變。這三類聚合物是很難嚴(yán)格劃分的。例如聚氯乙稀是典型的塑料，但也可以抽成纖維，配入適量增塑劑可制成類似橡膠的軟制品。通常紙張性質(zhì)松軟，有一定的壓縮性，存在表面高低不平的情況。可見，聚合物和紙制品受力后都會產(chǎn)生形變，處于一種被壓縮的狀態(tài)，所以軟包裝材料一般都有一定的形變率，因此，在進(jìn)行試樣厚度測量時是否存在對試樣測量面施加的壓力將直接影響測試結(jié)果。
5. 總結(jié)
對于薄膜制造商而言，產(chǎn)品的厚度均勻性是ZUI重要的指標(biāo)之一，想要有效地控制材料厚度，厚度測試設(shè)備是必不可少的，但是具體要選擇哪一類測厚設(shè)備還需根據(jù)軟包材的種類、廠商對厚度均勻性的要求、以及設(shè)備的測試范圍等因素而定。
參考文獻(xiàn)：
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