水滴角測量儀的選擇須從測試原理開始

來源：廣州貝拓科學技術有限公司 2025年08月01日 08:04

　　固體材料的物理化學性質常用的測試指標為接觸角值。為了將測試數據進行可比較或對固體材料的性質進行規范、統一的評估，通常采用水接觸角值也稱為水滴角值來表征固體材料的性質。而測試水滴角的分析測試儀器即為水滴角測量儀。水滴角測量儀測值的核心應包括：

　　1、水滴角測量儀測值水滴角值時采用何種水？或探針液體所用的水的表面張力值是多少？是否穩定？

　　通常情況下采用二次蒸餾水作為測試水滴角值的探針液體。*，溫度不同，水的表面張力值通常也會變化。20度時，二次蒸餾水的表面張力值為72.8mN/m，25度時蒸餾水的表面張力值為72mN/m。因而，采用水滴角測試儀測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，使用過專業十萬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知道，如果水受污染(比如將手指放入到測試蒸餾水中)，表面張力值會有明顯變化，即水的表面張力值測試很敏感，非常容易受到污染，因而此時如果用污染后的只有65mN/m左右的蒸餾水去測試固體材料的接觸角值時，測值結果與標準的蒸餾水表面張力值為72mN/m時，會存在明顯的區別。

　　2、水滴角測試儀的基本原理是什么？

　　目前市場上有很多自稱是“水滴角測量儀”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進液裝置后，再采用簡單的量角度軟件(如圓擬合分析工具、橢圓擬合分析工具)進行測量。通過如上描述，用戶就會明顯看出，這樣的儀器只能是基于顯微鏡的一個量測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性質值，這個值屬于物理化學領域。且由于如下固體材料客觀存在的原因：

　　(1)表面粗糙度：導致各視角條件下角度可能有不同；

　　(2)化學多樣性：比如生銹的鐵銹位置與沒有生銹的位置，膜表面的不均勻等等；

　　(3)異構性：表面的晶體生長方向、如水稻葉表面一張的經緯方向不同等。

　　等等

　　造成了客觀存在的側視條件下測試水滴角值時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的結構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。

　　這些均事實上對水滴角的測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的國產的或一些進口“接觸角測量儀”廠商所認為的這么簡單。不深究水滴角測試儀、預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。

　　對于如上因素綜合作用下的水滴角測量而言，其基本的原理應為：

　　(1)綜合考慮重力、表面張力、接觸角并進而分析出相應的角度值；

　　(2)能夠分析3D條件下或準確判斷左、右角度值的變化。

　　對于如上個條件，20世紀90年代的A.W.Neumann教授團隊提出的用于測量表面張力或界面張力值的Young-Laplace方程擬合技術可以解決。但是對于第二個條件，Young-Laplace方程的軸對稱假設使得其無法滿足要求。

　　近年來，上海梭倫作為美國科諾的戰略投資公司創造性的提出了阿莎算法(ADSA-RealDrop)，基于Young-Laplace方程并進行升級，實現了3D接觸角值的測量，將水滴角測量儀真正提升至可真正分析固體材料復雜的非軸對稱的接觸角測值階段。

　　3、如何選購水滴角測量儀？

　　綜合如上，我們建議，水滴角測量儀應基于如下基本要求，千萬不能被銷售人員用“數碼量角器”所誤導，浪費金錢。

　　(1)要求必須采用阿莎算法或類似的基于Young-Laplace方程的非軸對稱分析算法，驗證辦法是讓供應商采用Young-Laplace方程算法測試前進、后退角并分析相應的本征接觸角值；

　　(2)必須采用微米級微分頭控制的二維水平調整機構作為儀器的樣品臺和鏡頭的水平調整部件，且要求必須是各自獨立調整水平。以部分廠家采用儀器四腳水平調整的方式，認為這樣就是樣品臺的調整，或者認為通過XYZ調整樣品臺即可完成水平調整，這些銷售人員的說法是錯誤的。如果儀器通過四腳調整出了水平，但放上去的樣品出現了不水平，就會導致或擋光看不到接觸基線或傾斜后左右角度值出現變化，這些均會明顯影響角度值，通常為6-9%左右。

　　(3)應采用3D水滴角工具而非二維的玻璃板校準儀器。

　　而其他的如樣品臺的XYZ調整功能，進液器的上下移動功能等等事實上也平整度分析儀或臥式顯微鏡差不多，只是對于水滴角測試儀而言，加工精度略有要求。比如：

　　(1)樣品臺的升降不能采用齒紅齒條的結構，不然使用一段時間或放重物后會出現不受控制的向下滑動。而且，上下位置的控制精度非常低。

　　建議水滴角測量儀應采用微分頭控制的高精度升降機構。

　　(2)樣品臺XY控制的移動精度要求對于小位置測點非常高，建議采用螺距為0.5或1mm的高精度光學平移臺；

　　(3)移液控制，即進液器的上下移動的控制螺距就為0.5mm，否則很容易針頭弄壞樣品表面。

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