接觸角測(cè)量?jī)x-水滴角測(cè)量?jī)x標(biāo)定和校準(zhǔn)方法15問

1、接觸角測(cè)量?jī)x的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有哪些？

目前*接觸角測(cè)量?jī)x采用了一些ISO、ASTM以及GB的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如下所示。可以很明確的看出，這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)均為應(yīng)用接觸角測(cè)量?jī)x的標(biāo)準(zhǔn)，而非接觸角測(cè)量?jī)x或水滴角測(cè)量?jī)x本身檢測(cè)、檢定、標(biāo)定或校準(zhǔn)的任何一種計(jì)量或核實(shí)其性、性的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用接觸角測(cè)量?jī)x的這些標(biāo)準(zhǔn)中，也僅僅提供了一種基礎(chǔ)的測(cè)試接觸角值的方法，即θ/2法（或?qū)捀叻?/span>WH method）。這種方法的提出已經(jīng)100年左右歷史，在實(shí)際應(yīng)用中受液滴體積控制、滯后的接觸角影響、沒有界面化學(xué)數(shù)學(xué)模型作為依據(jù)等等，已經(jīng)被淘汰。

2、接觸角測(cè)量?jī)x所需要評(píng)定的指標(biāo)有哪些？所采用的手段有哪些？采用計(jì)量學(xué)里的檢定還是校準(zhǔn)？

接觸角測(cè)量?jī)x是一種測(cè)試液－固（或液－液－固）接觸角值以及液－氣（或液－液）表面張力/界面張力的分析測(cè)試儀器。水滴角測(cè)量?jī)x是一種特指一種測(cè)試蒸餾水或超純水在固體表面形成水滴的接觸角值，進(jìn)而評(píng)估被測(cè)試固體樣品表面清潔度、固體表面自由能等指標(biāo)的分析測(cè)試儀器。

因而，接觸角測(cè)量?jī)x所需要評(píng)定的指標(biāo)包括兩項(xiàng)：接觸角值和表面張力值。這兩個(gè)指標(biāo)項(xiàng)涉及的計(jì)量類別分別是：第8類－幾何量計(jì)量：又可稱為長(zhǎng)度計(jì)量，就是對(duì)物體的幾何尺寸、位置和角度的測(cè)量；和第10類－化學(xué)計(jì)量：又稱物理化學(xué)計(jì)量，是指對(duì)各種物質(zhì)的成分和物理特性、基本物理常數(shù)的分析、測(cè)量。

所以，接觸角測(cè)量?jī)x的評(píng)定采用的方法可采用：

（1）接觸角值：直接測(cè)量已知幾何尺寸的物體的值，并采用接觸角測(cè)量?jī)x再次檢測(cè)，從而評(píng)估接觸角測(cè)量?jī)x的性或示值誤差。

（2）表面張力或界面張力值：測(cè)試已知表面張力或界面張力值的標(biāo)準(zhǔn)液體，評(píng)估接觸角測(cè)量?jī)x的性或示值誤差。事實(shí)上，已知表面張力值或界面張力值同樣是指采用了其他方法測(cè)試所得的值，如Wilhelmy Plate法或DuNouy環(huán)法等。

從以上來看，兩項(xiàng)指標(biāo)均只是用于評(píng)判是否符合要求，也無法對(duì)于偏差值進(jìn)行修正，因而接觸角測(cè)量?jī)x采用的是計(jì)量學(xué)里的檢定，而是校準(zhǔn)。 

3、接觸角測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)標(biāo)定工具是什么？

接觸角測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)工具為標(biāo)定棒，材質(zhì)為陶瓷或鎢鋼。接觸角測(cè)量?jī)x或水滴角測(cè)量?jī)x作為一個(gè)以視頻影像法測(cè)試角度和表面張力這個(gè)物理化學(xué)性質(zhì)的分析測(cè)試儀器，其識(shí)別的是像素值。因而，我們需要將這個(gè)像素值轉(zhuǎn)換成mm，即相應(yīng)的放大率值。

美國(guó)科諾提供的標(biāo)定棒及其控制系統(tǒng)套件如下圖所示： 

采用標(biāo)定棒的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）標(biāo)定棒的精度高，通常為0.001mm。

（2）可以標(biāo)定出鏡頭、樣品臺(tái)的傾斜度。 

美國(guó)科諾同時(shí)可以提供紅寶石球的，球度可達(dá)0.15um。由于紅寶石球無法標(biāo)定出傾斜度，通常不被美國(guó)科諾使用于基礎(chǔ)性的像素標(biāo)定。美國(guó)科諾會(huì)使用紅寶石球作為接觸角標(biāo)定的工具。如后文所述。目前，有部分友商也提供了紅寶石球校定工具，這個(gè)校定工具即可標(biāo)定像素用的工具，而非美國(guó)科諾后文所述的標(biāo)定接觸角值的工具。 

4、接觸角測(cè)量?jī)x檢定表面張力或界面張力值的工具有哪些？

目前接觸角測(cè)量?jī)x的檢定工具包括標(biāo)準(zhǔn)板和標(biāo)準(zhǔn)液兩種。 

（1）標(biāo)定板：標(biāo)定板是指通過將擬合一些標(biāo)準(zhǔn)值的Young-Laplace曲線后，再將這些Young-Laplace曲線鍍到一個(gè)玻璃片上的標(biāo)定工具。如下圖所示為美國(guó)科諾提供的標(biāo)定板。 

提醒注意的是，表面張力標(biāo)定板并非僅僅是一個(gè)玻璃板而已，而是一個(gè)套件。這個(gè)套件應(yīng)包括：（1）玻璃板；（2）固定支架；（3）水平向通過微分頭控制可微調(diào)角度的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)；（4）微分頭控制的二維水平控制平臺(tái)（如果接觸角測(cè)量?jī)x本身沒有這個(gè)水平調(diào)整平臺(tái)，或調(diào)整精度不夠時(shí)必須要有這個(gè)部件）。非美國(guó)科諾提供的標(biāo)定板通常僅僅是一個(gè)玻璃板或提供一個(gè)支架。這樣的情況下無法修正傾斜角度（多維度情況），無法評(píng)估出三維體系中存在多維度傾斜等情況條件下的接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試表面張力或界面張力誤差值，影響終的標(biāo)定結(jié)果。具體參考接觸角標(biāo)定部分的論述。

（2）檢定表面張力或界面張力值所采用的標(biāo)準(zhǔn)液

    通常情況下，采用的標(biāo)準(zhǔn)液應(yīng)包括：蒸餾水、苯（分析純）、乙二醇等。也可以根據(jù)可查詢的數(shù)據(jù)自行配比。

目前為嚴(yán)格的方法為，測(cè)試不同溫度條件下蒸餾水的表面張力值，因?yàn)椋煌瑴囟葪l件下表面張力的變化量不是很大，且蒸餾水的易受污染，表面張力測(cè)值難度非常大。這種方法更考驗(yàn)接觸角測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)和加工精度。

6、接觸角測(cè)量?jī)x檢定接觸角值的工具有哪些？

接觸角測(cè)量?jī)x的檢定工具根據(jù)研發(fā)和應(yīng)用時(shí)間的先后來講，主要分為三種：（1）顯微鏡用分劃板、（2）角度標(biāo)定板和（3）接觸角測(cè)量?jī)x檢定工具。 

（1）顯微鏡用分劃板：采用了顯微鏡的分劃板，通過接觸角測(cè)量?jī)x量測(cè)其中橫向和縱向方向0.01mm精度的刻度線形成不同的組合，并采用θ/2法（或稱寬高法/WH法）測(cè)試得到接觸角值。終將測(cè)試得到的接觸角值與計(jì)算得到的接觸角值進(jìn)行比較，得到檢定結(jié)果即偏差值。

（2）角度標(biāo)定板。角度標(biāo)定板分為兩種，一種是基礎(chǔ)的，即用CAD畫出不同接觸角度值的圓形后，再將其鍍到玻璃板上；另一種是型的，通過軟件擬合得到的Young-Laplace曲線后，將曲線輪廓鍍到玻璃板上，美國(guó)科諾提供的Young-Laplace曲線擬合的標(biāo)定板實(shí)際圖片如上表面張力標(biāo)定部分所示?；A(chǔ)型的標(biāo)定板如下所示： 

（3）接觸角測(cè)量?jī)x檢定工具：是一種將紅寶石球或不銹鋼球放到一個(gè)深度不同的洞里，形成一個(gè)球冠，通過測(cè)量高出洞部分的球冠的高度以及球的直徑，計(jì)算得出接觸角值。再通過接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試同一個(gè)球冠的接觸角值，與計(jì)算得出的接觸角值進(jìn)行對(duì)比，終評(píng)估出偏差值作為檢定的終結(jié)果。 

7、接觸角測(cè)量?jī)x檢定接觸角值的工具各自的優(yōu)缺點(diǎn)？

如上所述三種接觸角檢定工具的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，概括而言就是二維條件下的標(biāo)定無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于整體接觸角測(cè)量?jī)x的檢定或評(píng)估其測(cè)值偏差、精度等；而三維條件下的測(cè)量才是真正評(píng)估接觸角測(cè)量?jī)x的合適辦法，且檢定結(jié)果直觀明了。具體如下表所示：

8、接觸角測(cè)量?jī)x的光學(xué)成像系統(tǒng)精度與儀器整體的精度究竟是哪個(gè)數(shù)量級(jí)或多少值？

接觸角測(cè)量?jī)x的精度就光學(xué)部分而言，取決儀器采用的顯微鏡頭與相機(jī)，即一旦相機(jī)及顯微鏡頭的放大倍率確認(rèn)后，其分辨率即多少mm就已經(jīng)確認(rèn)。注意的是，放大率不是表面看的0.7-4.5X這樣的值，而要綜合考慮接筒放大率、物鏡放大率。0.7-4.5X僅僅是指鏡頭主體的曲線所采用的放大率變化范圍。

而且，接觸角的測(cè)量需要考慮到液滴量大小、角度值大小等綜合因素，這個(gè)通常會(huì)通過視野范圍來體現(xiàn)。目前，為測(cè)試多液滴的接觸角值并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)表面自由能測(cè)值，視野范圍正在進(jìn)一步放大，而視野范圍的放大即意味著分辨率的降低。

比如采用了如下配置的一種接觸角測(cè)量?jī)x，其有效分辨率通常為0.01mm左右。有效像素是指可以有效被識(shí)別出來，而通常不能以一個(gè)像素作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

 美國(guó)科諾對(duì)2-10微升級(jí)別的液滴形成的不同角度范圍的接觸角由于光學(xué)分辨率（0.01mm精度或更低）而導(dǎo)致的偏差值進(jìn)行了整體分析。結(jié)論如下所示：

    （1）球冠的高度精度為0.005mm 時(shí)，接觸角值偏差標(biāo)準(zhǔn)差小于0.4度；高度精度為0.01mm時(shí)，接觸角值偏差值標(biāo)準(zhǔn)差小于0.8度；高度精度為0.02mm時(shí)，接觸角值偏差值小于0.8度。而且，接觸角值大于100°后，偏差值明顯增大，通常情況下，高度精度為0.01mm時(shí)，接觸角值此時(shí)的偏差值為2°左右。接觸角值的偏差換算成百分比后，標(biāo)準(zhǔn)差為1.1%左右，大百分比為5%左右，為小接觸角值時(shí)，小百分比為0.5%左右。

（2）球冠的直徑精度為0.01時(shí)，接觸角值偏差小于1度；高度精度為0.02時(shí)，接觸角值偏差小于2度。

通過表面自由能分析模型Equation of State可以分析得出，以120°接觸角值作為基數(shù)2°接觸角的誤差換算成表面自由能而言，其能量值為0.54mN/m。這個(gè)值可以忽略不計(jì)。

綜合如上所示，當(dāng)接觸角測(cè)量?jī)x的光學(xué)精度分辨率或誤差為0.01mm時(shí)，事實(shí)上接觸角值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.8度，大接觸角的偏差已經(jīng)為2.5度了。所以，接觸角測(cè)量?jī)x的檢定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)設(shè)計(jì)為誤差百分比不大于2%左右，小于10的不大于5%。

從如上分析也可以看出，所謂的達(dá)到0.01°角度精度的描述是不科學(xué)的說法。 

具體數(shù)據(jù)圖表如下所示： 

9、接觸角測(cè)量?jī)x的標(biāo)定板為何無法用于檢定接觸角測(cè)量?jī)x？

我們實(shí)際測(cè)試采用接觸角標(biāo)定板作為檢定工具的接觸角測(cè)量?jī)x，并通過不斷的變化傾斜角度，實(shí)現(xiàn)多維傾斜角度條件下的接觸角測(cè)值。終發(fā)現(xiàn)，接觸角的變化范圍非常小，如視頻資料所示。對(duì)于58°左右的一個(gè)標(biāo)定板的測(cè)值，變化多維度傾斜角度后，接觸角測(cè)值變化范圍為58.1－58.93之間。

如下所示。http://v.youku.com/v_show/id_XMzA2Mjg5ODIyOA==.html

非常明顯的，在傾斜條件下高度A遠(yuǎn)小于高度B，且如果向上傾斜時(shí)，水平基線不會(huì)被看到，因而角度值會(huì)明顯偏小。而這些在一個(gè)薄薄一層角度二維圖像中是無法體現(xiàn)的。

整體接觸角測(cè)量?jī)x一定會(huì)包括樣品上表面的水平程度、鏡頭的傾斜角度、整機(jī)的加工精度和控制精度、光學(xué)系統(tǒng)的分辨率等等。其平面二維圖片的精度無法體現(xiàn)整體接觸角的加工以及控制精度，因而板定板在多維度傾斜角度變化的測(cè)試中是無效的，不能作為檢定接觸角測(cè)量?jī)x的工具使用。 

而同樣的條件下，采用接觸角檢定工具測(cè)試接觸角值為49度的樣品，通過變化傾斜后馬上發(fā)現(xiàn)變化范圍非常大約為10度左右的變化，從49度－39度。如下圖所示：

10、接觸角測(cè)量的誤差或精度是由于什么導(dǎo)致的？接觸角測(cè)量?jī)x檢定的意義是什么？

通過如上分析，我們很明顯的可以得出結(jié)論，接觸角測(cè)量?jī)x的精度由多種原因?qū)е拢?，如為?jì)量而言，我們可以通過檢定評(píng)估出光學(xué)成像系統(tǒng)的精度是多少以及其此可能導(dǎo)致的偏差值會(huì)是多少？評(píng)估出整體接觸角測(cè)量?jī)x的實(shí)際偏差值是多少？

而在重多的因素中，重要的影響因素顯然是由于樣品表面表面不水平，進(jìn)而提出的對(duì)于樣品臺(tái)水平控制的精度要求以及鏡頭傾斜角度控制精度的要求。

接觸角測(cè)量?jī)x檢定的意義也正在于此。通過檢定，可以評(píng)估出交付使用的接觸角測(cè)量?jī)x的整體加工、控制精度以及測(cè)值的偏差范圍。當(dāng)然，這種檢定的成功是建立在采用接觸角標(biāo)定工具（紅寶石標(biāo)定球或不銹鋼標(biāo)定球）的基礎(chǔ)上的。接觸角標(biāo)定板是無法實(shí)現(xiàn)本目的的。

11、為何不采用將球固定在不同直徑的洞內(nèi)從而形成不同高度球冠的方法制作標(biāo)定工具？

如果采用不同直徑洞的方法的話，會(huì)存在如下幾個(gè)問題：

（1）洞的加工精度及洞的需求量無法滿足很多個(gè)洞且實(shí)現(xiàn)精度0.01或0.02增量變化的要求。

（2）球固定后，無法測(cè)量球的直徑值。

綜合而言，不同直徑洞的方式的操控性一般，遠(yuǎn)不如板定工具通過微分頭控制球升降方式方便，角度的數(shù)量也遠(yuǎn)低于檢定工具。

12、接觸角標(biāo)定工具的操作辦法或流程是什么？

校準(zhǔn)工具的操作辦法包括：

（1）采用數(shù)顯千分尺測(cè)量紅寶石球或不銹鋼球的直徑值。測(cè)試3－5次值并取平均值。直徑值的精度取0.001mm位。

（2）采用數(shù)顯高度尺測(cè)量球所在洞的上表面位置的高度值，并設(shè)置歸零。重復(fù)歸零3-5次。

（3）采用數(shù)顯高度尺測(cè)量球冠的高度值，重復(fù)測(cè)試3－5次并取平均值，取值精度位為0.01mm

（4）將球的直徑值以及球冠的高度值輸入到EXCEL表格中，計(jì)算出相應(yīng)的接觸角值；

（5）采用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試該球冠的接觸角值。如果偏差非常大時(shí)，調(diào)整樣品臺(tái)的水平直至偏差值達(dá)到目標(biāo)要求。

（6）調(diào)整檢定工具的微分頭，升或降至目標(biāo)高度后停止，并將高度值輸入EXCEL表格。

（7）測(cè)試此時(shí)球冠的接觸角值，并作測(cè)值數(shù)據(jù)對(duì)比。

（8）重復(fù)6－7直到數(shù)量量達(dá)到要求時(shí)停止。建議測(cè)試數(shù)據(jù)量不小于5個(gè)。

（9）出具檢定結(jié)果，達(dá)到測(cè)值偏差小于2%時(shí)，視為滿足要求，檢定合格。當(dāng)然，如果樣品臺(tái)水平調(diào)整更好的時(shí)候，接觸角的偏差范圍會(huì)更小。美國(guó)科諾實(shí)現(xiàn)了接觸角值變化標(biāo)準(zhǔn)差小于1度的操作。但與此同時(shí)，也提高了接觸角測(cè)試操作的難度。用戶可根據(jù)實(shí)際的需求情況進(jìn)行調(diào)整。

12、接觸角測(cè)量?jī)x或水滴角測(cè)量?jī)x的檢定還需要注意的事項(xiàng)有哪些？

接觸角測(cè)量?jī)x的檢定僅僅是評(píng)估接觸角測(cè)量?jī)x本身精度的一種手段。作為接觸角測(cè)量，特別是水滴角測(cè)量而言，為提升測(cè)值結(jié)果的重現(xiàn)性，進(jìn)行不同時(shí)間樣品的對(duì)比測(cè)試，除了進(jìn)行必要的檢定外，更為關(guān)鍵的在于一定要確保測(cè)試用水的干凈或前后一致。我們已經(jīng)多次發(fā)現(xiàn)測(cè)值結(jié)果重現(xiàn)性差是由于測(cè)試所用水被污染所造成的。

而檢測(cè)蒸餾水是否被污染的方法非常簡(jiǎn)單，采用ADSA－ RealDrop算法，直接測(cè)試注射器里蒸餾水的表面張力值。如果測(cè)試值高于70mN/m，則說明蒸餾水是干凈的。

測(cè)試蒸餾水表面張力值的操作我們建議每天或每更換一次測(cè)試液時(shí)進(jìn)行一次。

如果不干凈，則采用超聲波清洗機(jī)清洗針頭以及注射器，直到測(cè)得符合要求的表面張力值為止。

13、接觸角測(cè)量?jī)x檢定何時(shí)進(jìn)行，多久進(jìn)行一次？

接觸角測(cè)量?jī)x的檢定通常情況下在新采購(gòu)儀器時(shí)進(jìn)行一次。每年檢定一次。

對(duì)于測(cè)試樣品平整度近似的用戶，檢定工作可以減少。但對(duì)于測(cè)試樣品變化非常多的用戶而言，檢定工作就非常重要了。建議提高檢定工作的頻率。

14、接觸角測(cè)量?jī)x的檢定工具操作中測(cè)量高度和直徑的操作比較麻煩，有沒有更為簡(jiǎn)單的辦法？

更為簡(jiǎn)單的辦法有。

為簡(jiǎn)單的辦法為，購(gòu)買時(shí)檢定完成后，測(cè)試出該接觸角測(cè)量?jī)x的大、小誤差值。在每次測(cè)量時(shí)，盡量調(diào)整樣品臺(tái)的水平，使得樣品的上表面保持水平。這個(gè)可以大大提升高度值的測(cè)值精度。

美國(guó)科諾提供的EXCEL工具中有一個(gè)高度標(biāo)定算法，可以通過測(cè)試未知高度值的球冠的接觸角值，并使用該接觸角值標(biāo)定高度的方法實(shí)現(xiàn)。這樣的操作可以避免麻煩的測(cè)量工作，特別是球冠測(cè)量操作。

當(dāng)然，更為有效的辦法是，采用美國(guó)科諾3D接觸角模塊，即可以避免接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量精度差的問題。

15、樣品臺(tái)不水平或樣品表面不水平影響到接觸角測(cè)量的哪些方面？

會(huì)影響兩個(gè)方面。

*、由于視角傾斜而導(dǎo)致的接觸角值變化。通過如上的描述可以看出，這個(gè)變化值導(dǎo)致的接觸角變化是為明顯的，偏差值可能會(huì)非常大。

第二、由于左、右傾斜導(dǎo)致形成左、右接觸角值的偏差而形成非軸對(duì)液滴。而此時(shí)采用圓、橢圓或Young-Laplace方程擬合等要求軸對(duì)稱液滴的算法計(jì)算接觸角值時(shí)出現(xiàn)接觸角值測(cè)值偏差。這種偏差在大于120度角度值時(shí)可能為3－5度，大于140度時(shí)可能為8－10度。

后者可以通過采用ADSA-RealDrop算法，計(jì)算得到的修正接觸角滯后影響的本征接觸角值得到更為確確的角度值。

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