接觸角測量?jì)x-水滴角測量?jì)x標定和校準方法15問(wèn)

1、接觸角測量?jì)x的測試標準有哪些？

目前*接觸角測量?jì)x采用了一些ISO、ASTM以及GB的測試標準如下所示?？梢院苊鞔_的看出，這些測試標準均為應用接觸角測量?jì)x的標準，而非接觸角測量?jì)x或水滴角測量?jì)x本身檢測、檢定、標定或校準的任何一種計量或核實(shí)其性、性的標準。應用接觸角測量?jì)x的這些標準中，也僅僅提供了一種基礎的測試接觸角值的方法，即θ/2法（或寬高法WH method）。這種方法的提出已經(jīng)100年左右歷史，在實(shí)際應用中受液滴體積控制、滯后的接觸角影響、沒(méi)有界面化學(xué)數學(xué)模型作為依據等等，已經(jīng)被淘汰。

2、接觸角測量?jì)x所需要評定的指標有哪些？所采用的手段有哪些？采用計量學(xué)里的檢定還是校準？

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

因而，接觸角測量?jì)x所需要評定的指標包括兩項：接觸角值和表面張力值。這兩個(gè)指標項涉及的計量類(lèi)別分別是：第8類(lèi)－幾何量計量：又可稱(chēng)為長(cháng)度計量，就是對物體的幾何尺寸、位置和角度的測量；和第10類(lèi)－化學(xué)計量：又稱(chēng)物理化學(xué)計量，是指對各種物質(zhì)的成分和物理特性、基本物理常數的分析、測量。

所以，接觸角測量?jì)x的評定采用的方法可采用：

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

（2）表面張力或界面張力值：測試已知表面張力或界面張力值的標準液體，評估接觸角測量?jì)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試所得的值，如Wilhelmy Plate法或DuNouy環(huán)法等。

從以上來(lái)看，兩項指標均只是用于評判是否符合要求，也無(wú)法對于偏差值進(jìn)行修正，因而接觸角測量?jì)x采用的是計量學(xué)里的檢定，而是校準。 

3、接觸角測量?jì)x的基礎標定工具是什么？

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

美國科諾提供的標定棒及其控制系統套件如下圖所示： 

采用標定棒的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）標定棒的精度高，通常為0.001mm。

（2）可以標定出鏡頭、樣品臺的傾斜度。 

美國科諾同時(shí)可以提供紅寶石球的，球度可達0.15um。由于紅寶石球無(wú)法標定出傾斜度，通常不被美國科諾使用于基礎性的像素標定。美國科諾會(huì )使用紅寶石球作為接觸角標定的工具。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)校定工具即可標定像素用的工具，而非美國科諾后文所述的標定接觸角值的工具。 

4、接觸角測量?jì)x檢定表面張力或界面張力值的工具有哪些？

目前接觸角測量?jì)x的檢定工具包括標準板和標準液兩種。 

（1）標定板：標定板是指通過(guò)將擬合一些標準值的Young-Laplace曲線(xiàn)后，再將這些Young-Laplace曲線(xiàn)鍍到一個(gè)玻璃片上的標定工具。如下圖所示為美國科諾提供的標定板。 

提醒注意的是，表面張力標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)套件應包括：（1）玻璃板；（2）固定支架；（3）水平向通過(guò)微分頭控制可微調角度的旋轉平臺；（4）微分頭控制的二維水平控制平臺（如果接觸角測量?jì)x本身沒(méi)有這個(gè)水平調整平臺，或調整精度不夠時(shí)必須要有這個(gè)部件）。非美國科諾提供的標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(wú)法修正傾斜角度（多維度情況），無(wú)法評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量?jì)x測試表面張力或界面張力誤差值，影響終的標定結果。具體參考接觸角標定部分的論述。

（2）檢定表面張力或界面張力值所采用的標準液

    通常情況下，采用的標準液應包括：蒸餾水、苯（分析純）、乙二醇等。也可以根據可查詢(xún)的數據自行配比。

目前為嚴格的方法為，測試不同溫度條件下蒸餾水的表面張力值，因為，不同溫度條件下表面張力的變化量不是很大，且蒸餾水的易受污染，表面張力測值難度非常大。這種方法更考驗接觸角測量?jì)x的設計和加工精度。

6、接觸角測量?jì)x檢定接觸角值的工具有哪些？

接觸角測量?jì)x的檢定工具根據研發(fā)和應用時(shí)間的先后來(lái)講，主要分為三種：（1）顯微鏡用分劃板、（2）角度標定板和（3）接觸角測量?jì)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(guò)接觸角測量?jì)x量測其中橫向和縱向方向0.01mm精度的刻度線(xiàn)形成不同的組合，并采用θ/2法（或稱(chēng)寬高法/WH法）測試得到接觸角值。終將測試得到的接觸角值與計算得到的接觸角值進(jìn)行比較，得到檢定結果即偏差值。

（2）角度標定板。角度標定板分為兩種，一種是基礎的，即用CAD畫(huà)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(guò)軟件擬合得到的Young-Laplace曲線(xiàn)后，將曲線(xiàn)輪廓鍍到玻璃板上，美國科諾提供的Young-Laplace曲線(xiàn)擬合的標定板實(shí)際圖片如上表面張力標定部分所示?；A型的標定板如下所示： 

（3）接觸角測量?jì)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(guò)測量高出洞部分的球冠的高度以及球的直徑，計算得出接觸角值。再通過(guò)接觸角測量?jì)x測試同一個(gè)球冠的接觸角值，與計算得出的接觸角值進(jìn)行對比，終評估出偏差值作為檢定的終結果。 

7、接觸角測量?jì)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定無(wú)法實(shí)現對于整體接觸角測量?jì)x的檢定或評估其測值偏差、精度等；而三維條件下的測量才是真正評估接觸角測量?jì)x的合適辦法，且檢定結果直觀(guān)明了。具體如下表所示：

8、接觸角測量?jì)x的光學(xué)成像系統精度與儀器整體的精度究竟是哪個(gè)數量級或多少值？

接觸角測量?jì)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，即一旦相機及顯微鏡頭的放大倍率確認后，其分辨率即多少mm就已經(jīng)確認。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(xiàn)所采用的放大率變化范圍。

而且，接觸角的測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(guò)視野范圍來(lái)體現。目前，為測試多液滴的接觸角值并進(jìn)而實(shí)現全自動(dòng)表面自由能測值，視野范圍正在進(jìn)一步放大，而視野范圍的放大即意味著(zhù)分辨率的降低。

比如采用了如下配置的一種接觸角測量?jì)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別出來(lái)，而通常不能以一個(gè)像素作為評判標準。

 美國科諾對2-10微升級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）而導致的偏差值進(jìn)行了整體分析。結論如下所示：

    （1）球冠的高度精度為0.005mm 時(shí)，接觸角值偏差標準差小于0.4度；高度精度為0.01mm時(shí)，接觸角值偏差值標準差小于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，標準差為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(guò)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。

綜合如上所示，當接觸角測量?jì)x的光學(xué)精度分辨率或誤差為0.01mm時(shí)，事實(shí)上接觸角值的標準差為0.8度，大接觸角的偏差已經(jīng)為2.5度了。所以，接觸角測量?jì)x的檢定標準應設計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，所謂的達到0.01°角度精度的描述是不科學(xué)的說(shuō)法。 

具體數據圖表如下所示： 

9、接觸角測量?jì)x的標定板為何無(wú)法用于檢定接觸角測量?jì)x？

我們實(shí)際測試采用接觸角標定板作為檢定工具的接觸角測量?jì)x，并通過(guò)不斷的變化傾斜角度，實(shí)現多維傾斜角度條件下的接觸角測值。終發(fā)現，接觸角的變化范圍非常小，如視頻資料所示。對于58°左右的一個(gè)標定板的測值，變化多維度傾斜角度后，接觸角測值變化范圍為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遠小于高度B，且如果向上傾斜時(shí)，水平基線(xiàn)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(wú)法體現的。

整體接觸角測量?jì)x一定會(huì )包括樣品上表面的水平程度、鏡頭的傾斜角度、整機的加工精度和控制精度、光學(xué)系統的分辨率等等。其平面二維圖片的精度無(wú)法體現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試中是無(wú)效的，不能作為檢定接觸角測量?jì)x的工具使用。 

而同樣的條件下，采用接觸角檢定工具測試接觸角值為49度的樣品，通過(guò)變化傾斜后馬上發(fā)現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、接觸角測量的誤差或精度是由于什么導致的？接觸角測量?jì)x檢定的意義是什么？

通過(guò)如上分析，我們很明顯的可以得出結論，接觸角測量?jì)x的精度由多種原因導致，但是，如為計量而言，我們可以通過(guò)檢定評估出光學(xué)成像系統的精度是多少以及其此可能導致的偏差值會(huì )是多少？評估出整體接觸角測量?jì)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)而提出的對于樣品臺水平控制的精度要求以及鏡頭傾斜角度控制精度的要求。

接觸角測量?jì)x檢定的意義也正在于此。通過(guò)檢定，可以評估出交付使用的接觸角測量?jì)x的整體加工、控制精度以及測值的偏差范圍。當然，這種檢定的成功是建立在采用接觸角標定工具（紅寶石標定球或不銹鋼標定球）的基礎上的。接觸角標定板是無(wú)法實(shí)現本目的的。

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

如果采用不同直徑洞的方法的話(huà)，會(huì )存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

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

（2）球固定后，無(wú)法測量球的直徑值。

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

12、接觸角標定工具的操作辦法或流程是什么？

校準工具的操作辦法包括：

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

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

（3）采用數顯高度尺測量球冠的高度值，重復測試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，計算出相應的接觸角值；

（5）采用接觸角測量?jì)x測試該球冠的接觸角值。如果偏差非常大時(shí)，調整樣品臺的水平直至偏差值達到目標要求。

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

（7）測試此時(shí)球冠的接觸角值，并作測值數據對比。

（8）重復6－7直到數量量達到要求時(shí)停止。建議測試數據量不小于5個(gè)。

（9）出具檢定結果，達到測值偏差小于2%時(shí)，視為滿(mǎn)足要求，檢定合格。當然，如果樣品臺水平調整更好的時(shí)候，接觸角的偏差范圍會(huì )更小。美國科諾實(shí)現了接觸角值變化標準差小于1度的操作。但與此同時(shí)，也提高了接觸角測試操作的難度。用戶(hù)可根據實(shí)際的需求情況進(jìn)行調整。

12、接觸角測量?jì)x或水滴角測量?jì)x的檢定還需要注意的事項有哪些？

接觸角測量?jì)x的檢定僅僅是評估接觸角測量?jì)x本身精度的一種手段。作為接觸角測量，特別是水滴角測量而言，為提升測值結果的重現性，進(jìn)行不同時(shí)間樣品的對比測試，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試用水的干凈或前后一致。我們已經(jīng)多次發(fā)現測值結果重現性差是由于測試所用水被污染所造成的。

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

測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試液時(shí)進(jìn)行一次。

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

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

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

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

14、接觸角測量?jì)x的檢定工具操作中測量高度和直徑的操作比較麻煩，有沒(méi)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，購買(mǎi)時(shí)檢定完成后，測試出該接觸角測量?jì)x的大、小誤差值。在每次測量時(shí)，盡量調整樣品臺的水平，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值精度。

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

當然，更為有效的辦法是，采用美國科諾3D接觸角模塊，即可以避免接觸角測量?jì)x測量精度差的問(wèn)題。

15、樣品臺不水平或樣品表面不水平影響到接觸角測量的哪些方面？

會(huì )影響兩個(gè)方面。

*、由于視角傾斜而導致的接觸角值變化。通過(guò)如上的描述可以看出，這個(gè)變化值導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、右傾斜導致形成左、右接觸角值的偏差而形成非軸對液滴。而此時(shí)采用圓、橢圓或Young-Laplace方程擬合等要求軸對稱(chēng)液滴的算法計算接觸角值時(shí)出現接觸角值測值偏差。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(guò)采用ADSA-RealDrop算法，計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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