技術(shù)文章 / Technical articles
固體材料的物理化學(xué)性質(zhì)常用的測(cè)試指標(biāo)為接觸角值。為了將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行可比較或?qū)腆w材料的性質(zhì)進(jìn)行規(guī)范、統(tǒng)一的評(píng)估，通常采用水接觸角值也稱為水滴角值來(lái)表征固體材料的性質(zhì)。而測(cè)試水滴角的分析測(cè)試儀器即為水滴角測(cè)量?jī)x。水滴角測(cè)量?jī)x測(cè)值的核心應(yīng)包括：
1、水滴角測(cè)量?jī)x測(cè)值水滴角值時(shí)采用何種水？或探針液體所用的水的表面張力值是多少？是否穩(wěn)定？
通常情況下采用二次蒸餾水作為測(cè)試水滴角值的探針液體。眾所周知，溫度不同，水的表面張力值通常也會(huì)變化。20度時(shí)，二次蒸餾水的表面張力值為72.8mN/m，25度時(shí)蒸餾水的表面張力值為72mN/m。因而，采用水滴角測(cè)試儀測(cè)得的水接觸角值或水滴角值因不同的表面張力值的探針蒸餾水而略有不同。
同時(shí)，使用過(guò)十萬(wàn)分之一分析天平作為核心稱重傳感器的表面張力儀的用戶會(huì)知道，如果水受污染（比如將手指放入到測(cè)試蒸餾水中），表面張力值會(huì)有明顯變化，即水的表面張力值測(cè)試很敏感，非常容易受到污染，因而此時(shí)如果用污染后的只有65mN/m左右的蒸餾水去測(cè)試固體材料的接觸角值時(shí)，測(cè)值結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的蒸餾水表面張力值為72mN/m時(shí)，會(huì)存在明顯的區(qū)別。
2、水滴角測(cè)試儀的基本原理是什么？
目前市場(chǎng)上有很多自稱是“水滴角測(cè)量?jī)x”的分析儀器，通常這些儀器是將臥式顯微鏡或平整度分析儀增加一個(gè)進(jìn)液裝置后，再采用簡(jiǎn)單的量角度軟件（如圓擬合分析工具、橢圓擬合分析工具）進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)如上描述，用戶就會(huì)明顯看出，這樣的儀器只能是基于顯微鏡的一個(gè)量測(cè)二維條件下的水滴輪廓的角度的工具而已。
如上1所述，水滴角值是表征固體材料物理化學(xué)性質(zhì)值，這個(gè)值屬于物理化學(xué)領(lǐng)域。且由于如下固體材料客觀存在的原因：
（1）表面粗糙度：導(dǎo)致各視角條件下角度可能有不同；
（2）化學(xué)多樣性：比如生銹的鐵銹位置與沒(méi)有生銹的位置，膜表面的不均勻等等；
（3）異構(gòu)性：表面的晶體生長(zhǎng)方向、如水稻葉表面一張的經(jīng)緯方向不同等。
等等
造成了客觀存在的側(cè)視條件下測(cè)試水滴角值時(shí)在三維角度下易形成的左、右、前、后各位置的不同接觸角值的變化。
舉例而言，晶圓表面蝕刻后形成的納米級(jí)的結(jié)構(gòu)易造成不同視角下的接觸角不同；液晶防指紋效果中表面鍍膜不均勻造成的角度變化；PCB板滴液時(shí)水滴橫跨了銅片和樹脂基板等造成角度變化等；等離子清洗后沒(méi)有清洗干凈造成一滴水滴左、右也存在角度變化等等。
這些均事實(shí)上對(duì)水滴角的測(cè)量提出了非常高的要求，因而，也不是7000元左右的臥式顯微鏡或平整度分析儀改制而來(lái)的國(guó)產(chǎn)的或一些進(jìn)口“接觸角測(cè)量?jī)x”廠商所認(rèn)為的這么簡(jiǎn)單。不深究水滴角測(cè)試儀、預(yù)算有限的用戶很容易被這些銷售人員以各種方法所所利誘。
對(duì)于如上因素綜合作用下的水滴角測(cè)量而言，其基本的原理應(yīng)為：
（1）綜合考慮重力、表面張力、接觸角并進(jìn)而分析出相應(yīng)的角度值；
（2）能夠分析3D條件下或判斷左、右角度值的變化。
對(duì)于如上個(gè)條件，20世紀(jì)90年代的A.W.Neumann教授團(tuán)隊(duì)提出的用于測(cè)量表面張力或界面張力值的Young-Laplace方程擬合技術(shù)可以解決。但是對(duì)于第二個(gè)條件，Young-Laplace方程的軸對(duì)稱假設(shè)使得其無(wú)法滿足要求。
近年來(lái)，上海梭倫作為美國(guó)科諾的戰(zhàn)略投資公司創(chuàng)造性的提出了阿莎算法（ADSA-RealDrop），基于Young-Laplace方程并進(jìn)行升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了3D接觸角值的測(cè)量，將水滴角測(cè)量?jī)x真正提升至可真正分析固體材料復(fù)雜的非軸對(duì)稱的接觸角測(cè)值階段。
3、如何選購(gòu)水滴角測(cè)量?jī)x？
綜合如上，我們建議，水滴角測(cè)量?jī)x應(yīng)基于如下基本要求，千萬(wàn)不能被銷售人員用“數(shù)碼量角器”所誤導(dǎo)，浪費(fèi)。
（1）要求必須采用阿莎算法或類似的基于Young-Laplace方程的非軸對(duì)稱分析算法，驗(yàn)證辦法是讓供應(yīng)商采用Young-Laplace方程算法測(cè)試前進(jìn)、后退角并分析相應(yīng)的本征接觸角值；
（2）必須采用微米級(jí)微分頭控制的二維水平調(diào)整機(jī)構(gòu)作為儀器的樣品臺(tái)和鏡頭的水平調(diào)整部件，且要求必須是各自獨(dú)立調(diào)整水平。以部分廠家采用儀器四腳水平調(diào)整的方式，認(rèn)為這樣就是樣品臺(tái)的調(diào)整，或者認(rèn)為通過(guò)XYZ調(diào)整樣品臺(tái)即可完成水平調(diào)整，這些銷售人員的說(shuō)法是錯(cuò)誤的。如果儀器通過(guò)四腳調(diào)整出了水平，但放上去的樣品出現(xiàn)了不水平，就會(huì)導(dǎo)致或擋光看不到接觸基線或傾斜后左右角度值出現(xiàn)變化，這些均會(huì)明顯影響角度值，通常為6－9%左右。
（3）應(yīng)采用3D水滴角工具而非二維的玻璃板校準(zhǔn)儀器。
而其他的如樣品臺(tái)的XYZ調(diào)整功能，進(jìn)液器的上下移動(dòng)功能等等事實(shí)上也平整度分析儀或臥式顯微鏡差不多，只是對(duì)于水滴角測(cè)試儀而言，加工精度略有要求。比如：
（1）樣品臺(tái)的升降不能采用齒紅齒條的結(jié)構(gòu)，不然使用一段時(shí)間或放重物后會(huì)出現(xiàn)不受控制的向下滑動(dòng)。而且，上下位置的控制精度非常低。
建議水滴角測(cè)量?jī)x應(yīng)采用微分頭控制的高精度升降機(jī)構(gòu)。
（2）樣品臺(tái)XY控制的移動(dòng)精度要求對(duì)于小位置測(cè)點(diǎn)非常高，建議采用螺距為0.5或1mm的高精度光學(xué)平移臺(tái)；
（3）移液控制，即進(jìn)液器的上下移動(dòng)的控制螺距就為0.5mm，否則很容易針頭弄壞樣品表面。
