台阶仪表面轮廓测量国际标准：ISO21920与ISO4287的差异解析

Flexfilm探针式台阶仪作为表面形貌测量的精密仪器，能够依据最新的ISO 21920系列标准实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量。该设备通过高精度探针扫描技术，可精确测定样品的表面台阶高度与薄膜厚度，为材料质量控制和生产工艺优化提供可靠的数据支撑。

本文将系统阐述ISO 21920 - 2:2021与旧版ISO 4287:1996在表面轮廓分析标准方面的主要技术演进。这些标准变更不仅反映了表面测量技术的最新发展，更体现了现代制造业对精确计量提出的新要求。

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标准更新背景

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2021年12月，ISO发布了全新的表面结构标准ISO 21920，该标准分为三个部分，取代了多个自1990年代末期沿用至今的旧标准，包括：

ISO 1302:2002（ 解释了如何在图纸上指定表面纹理）→ ISO 21920-1

ISO 4287:1997（描述了主要轮廓参数（Ra、Wa 等））→ ISO 21920-2

ISO 4288:1996（解释了如何应用参数和选择截止值）→ ISO 21920-3

ISO 3274（描述了测针轮廓仪的基本要求）→ ISO 21920

ISO 12179（解释了如何校准测针轮廓仪）→ ISO 21920

发布的ISO 25178 标准确立了新的表面纹理通用标准，其最初针对的是面积表面纹理。如今，将同样的概念应用于轮廓表面纹理并对其进行修订或替换是合理的。ISO TC213 工作组WG16决定将现有的型材标准统一为一个由三部分组成的现代标准，称为ISO 21920。

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新的基准符号

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为了区分新旧标准，ISO 21920 引入了一个新的基准符号，在原有三角形符号的左上方增加了一个小线段。这与面测量符号（ISO 25178-1 中定义的倾斜小正方形）类似，旨在明确标识采用新标准的规范。

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处理流程顺序的变化

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在旧标准 ISO 4287 中，原始轮廓的获取顺序为：名义形状去除 → λs 滤波器。而在 ISO 21920 中，这一顺序被倒置为：S-滤波器 → 名义形状去除，以便与面测量方法保持一致。尽管对大多数轮廓影响不大，但对于含有形状误差的轮廓，参数值可能出现显著差异。

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参数计算方式的改变

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基于评估长度的参数计算

ISO 4287：参数值为各采样长度上估计值的平均值（默认5段）。

ISO 21920：参数值为在整个评估长度上计算的单一值。

这一变化旨在简化计算过程，但对某些参数（如 Rsk、Rku）的稳定性可能产生影响。

峰值参数仍基于分段长度

唯一保留平均值计算的是峰值参数，它们在分段长度（相当于旧版中的采样长度）上计算，包括：Rp, Rpt, Rv, Rvt, Rz, Rzx 等；对应旧标准中的 Rmax（VDA 2006）。

峰谷检测方法的明确化

新标准对峰谷的识别过程进行了更详细的定义：

首先在整个评估长度上检测所有峰和谷；

然后在各分段长度上计算参数；

某些分段可能没有峰或谷，导致平均时所使用的分段数量不一致。

这一点在波纹轮廓的峰值参数计算中尤为关键。

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轮廓元素检测方法的改进(Rsm)

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ISO 21920 采用 ISO 16610-45 中定义的“穿线法”进行轮廓元素分割，以计算 Rsm 参数。这种方法能更准确地识别轮廓单元，提升间距参数的可重复性。

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判定规则的变更

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旧标准中默认的“16%规则”（T16%）被替换为“最大值规则”（Tmax）：

Tmax：所有测量值都必须小于公差（新默认规则）；

T16%：仍可用，但需在图纸中明确说明；

Tmed：基于中位数的判定方法，适用于大批量测量。

这一变化使判定过程更直观，但也可能导致同一批样品在不同标准下得出不同的合格结论。

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基于设置等级的新的默认设置方法

旧标准 ISO 4288 的截止波长选择流程存在三个问题：

需要多次测量，成本高；

违背了 GPS 的独立性原则；

对周期性和非周期性轮廓采用不同流程。

ISO 21920-3 引入了“设置等级”概念，根据图纸上的公差值直接确定默认的截止波长等设置。该方法仅适用于少数参数，对于其他参数或特殊情况，用户仍需进行相关性研究以确定合适的截止值。尽管更统一，但其阈值设定仍显得复杂且缺乏明确依据。

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参数值的预期差异

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通过对101个机械零件轮廓的实测数据对比发现：

某些参数（如 Rq）在两个标准间相关性很高（R² = 99.9%）；

而其他参数（如 Rsm、Rsk）的相关性较低（R² 分别为 84.1% 和 66.4%）。

工业用户若计划转向新标准，需对图纸公差进行调整研究。

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总结：ISO 21920 的主要变化

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新的基准符号；

F-操作与 S-滤波器顺序倒置；

参数基于评估长度计算（不再平均），峰值参数除外；

默认判定规则改为 Tmax；

引入设置等级流程；

采用新的轮廓元素分割算法（Rsm）；

新增体积参数与特征参数（基于分水岭分割）；

其他少量细节更新。

ISO 21920 系列标准的发布标志着表面结构测量进入了一个更现代、与面测量更统一的阶段。尽管存在过渡期的挑战，但新标准更适应当前制造技术与测量设备的发展。设计、计量、研究与教育领域的相关人员都应尽快熟悉新标准，理解其与旧版之间的差异，以确保测量的一致性与准确性。随着ISO 21920系列标准的逐步推广，Flexfilm探针式台阶仪将继续为各行业用户提供符合国际规范的测量解决方案，助力企业提升产品质量和生产效率，推动表面计量技术向更精确、更规范的方向发展。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。在标准应用层面，Flexfilm台阶仪的测量流程完全符合ISO 21920新标准的规定。

原文参考：《Differences between ISO 21920-2 and ISO 4287》

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