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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zum Messen von Flächenwiderständen mit
einer Kelvin-Messeinrichtung, bei der eine Kelvin-Messeinheit eine
Kontakteinheit mit vier einer Messfläche zuordenbaren Kontakten,
eine Zuordnungseinrichtung sowie eine Auswerteeinrichtung aufweist.
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Eine derartige Vorrichtung zum Messen
von Oberflächenwiderständen ist
in der WO 01 /90730 A2 und ähnlich
auch in der WO 01 /90749 A2 und der WO 91/ 19972 angegeben. Bei
dieser bekannten Vorrichtung, die auf einer indirekten Kontaktiermethode
zur Messung und Analyse von Oberflächeneigenschaften von Leitern,
Halbleitern, physikalischen und chemischen Flächen beruht, wird eine Kontaktmodulanordnung
einer Messsonde mit den üblichen vier
Kelvin-Kontakten indirekt der Messfläche zugeordnet, wobei eine
oszillierende Konden satorplatte verwendet wird, deren Ladungsverschiebung
einen Wechselstrom durch den Prüfling
treibt. Die Wechselwirkung zwischen Kondensator, Prüfling und
Luftabstand ergibt ein Kontaktpotential als Maß des Oberflächenwiderstandes,
das in einer angeschlossenen Auswerteeinrichtung weiterverarbeitet
wird. Die auf einem in x-y-Richtung verfahrbaren Tisch befindliche
Messfläche
wird mittels einer von einer Steuereinrichtung gesteuerten Positioniervorrichtung relativ
zu den Kontakten der Messsonde in die einzelnen Messpositionen verfahren,
so dass sich relativ lange Messzeiten ergeben. Bei dem vorgeschlagenen
Messprinzip ist es außerdem
schwierig, genaue Messergebnisse sicherzustellen, da die Messungen empfindlich
gegenüber
Erschütterungen,
Störfeldern, Temperatur,
Feuchte und ähnlichen
Umgebungsbedingungen sind.
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In der
DE 34 01 058 A1 ist eine Kelvin-Messeinrichtung
zur Widerstandsmessung auf der Oberfläche von Walzstählen vorgeschlagen,
bei der die Spitzen der bei der Kelvin-Methode verwendeten vier Anschlusselektroden
unter Anwendung von Druckkraft auf der Messfläche gehalten werden, wobei
zwischen den gegenüberliegenden äußeren Anschlusselektroden
ein Strom niedriger Frequenz hindurchgeleitet wird und die Potentialdifferenz
zwischen den beiden anderen, innenliegenden Anschlusselektroden
festgestellt wird, um daraus den Widerstandswert zu bestimmen. Auch
mit einer solchen Vorgehensweise ist es aufwendig, größere Messflächen zuverlässig zu
vermessen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zum Messen von Flächenwiderständen bereitzustellen,
bei der zuverlässige,
reproduzierbare Messungen schnell und mit möglichst wenig Aufwand durchführbar sind.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Hiernach ist vorgesehen, dass die Kelvin-Messeinrichtung mehrere
in einer Matrix angeordnete Kontakteinheiten aufweist und dass in der
Zuordnungseinrichtung die Positionen der Kontakteinheiten gespeichert
oder speicherbar sind.
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Durch diesen Aufbau mit der Matrixanordnung
der Kontakteinheiten und daran enthaltenen Kontakte sind bei der
Messung stets eindeutige Positionen vorgegeben, so dass die Widerstandsmessungen über eindeutig
definierte Messabstände
gewährleistet
sind. Alle Kontakte können
während
der Messung auf der Oberfläche
in Berührung
gebracht werden und auf dieser verbleiben, während die Abtastung elektronisch
innerhalb kurzer Zeit abläuft.
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Ein vorteilhafter Aufbau mit relativ
geringem Verdrahtungsaufwand ergibt sich dadurch, dass die Zuordnungseinrichtung
und die Auswerteeinrichtung in einer gemeinsamen Steuerelektronik
ausgebildet sind und dass jede Kelvin-Messeinheit eine von der Zuordnungseinrichtung
ansteuerbare Schaltelementeanordnung aufweist, mit denen die Kontakteinheiten
zeitsequentiell über
vier Terminals an ein Kelvin-Messgerät anschaltbar sind. Zwischen
den vier Terminals und dem Kelvin-Messgerät sind lediglich vier Anschlussleitungen
erforderlich.
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Eine eindeutige Steuerung zum Erfassen
der Messwerte pro Kontaktmodul bei einfachem, übersichtlichem Aufbau wird
dadurch erreicht, dass das- Kelvin-Messgerät an die Steuerelektronik angeschlossen
ist und von der Zuordnungseinrichtung zeitsynchron mit der Schaltelementeanordnung
zum Erfassen von Widerstandsmesswerten pro Kontakteinheit ansteuerbar
ist.
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Für
die Erfassung und eine Weiterverarbeitung der Messwerte sind weiterhin
die Maßnahmen vorteilhaft,
dass die Messwerte unter jeweiliger örtlicher Zuordnung pro Kontakteinheit
in dem Kelvin-Messgerät
und/oder in einer an dieses angeschlossenen Speichereinrichtung
der Steuerelektronik speicherbar sind.
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Dabei bestehen vorteilhafte alternative
Ausgestaltungen darin, dass die Messwerte in dem Kelvin-Messgerät und/oder
der Auswerteeinrichtung weiterverarbeitbar sind.
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Verschiedene günstige Ausführungsmöglichkeiten bestehen darin,
dass an vier Terminals alle oder eine Gruppe von Kontakteinheiten über ihre
jeweilige Schaltelementeanordnung angeschlossen sind/ist.
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Ist vorgesehen, dass die Steuerelektronik zur
Datenweitergabe und/oder zum Anschluss an eine weitere Steuereinrichtung
eine Schnittstelle aufweist, so können die Daten an weitere Verarbeitungseinrichtungen,
wie z.B. eine übergeordnete
Prozesssteuerung in einer Fertigungslinie übertragen werden und auch Einfluss
auf die Durchführung
der Messungen genommen werden.
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Bei relativ einfachem, übersichtlichem
Aufbau werden zuverlässige
Messergebnisse dadurch sichergestellt, dass die Terminals aus massivem
Metall bestehen und jeweils von einem Anschlusspunkt über eine
widerstandsgleiche Messleitung mit dem Messgerät verbunden sind und, dass
die Kontakteinheiten jeweils über
eine widerstandsgleiche Messleitung mit dem Messgerät verbunden
sind und dass die Kontakteinheiten jeweils über widerstandsgleiche Verbindungsleitungen über die
Schaltelementeanordnung mit ihren entsprechenden Kontakten an die Terminals
an von dem Anschlusspunkt widerstandsgleich entfernten Anschlussstellen
angeschlossen sind. Als Terminals sind insbesondere Metallblöcke aus
Kupfer geeignet, wobei die Anschlussstellen z.B. alle gleich weit
von dem Anschlusspunkt zum Messgerät angeordnet sind.
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Ein vorteilhafter Aufbau wird dadurch
erreicht, dass die vier Kontakte einer Kontakteinheit in einem gemeinsamen
Kontaktmodul oder zu je zwei in zwei getrennten, einander zugeordneten
Kontaktmodulen in einem Isolierkörper
eingebettet sind.
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Für
eine einfache, eindeutige Anordnung der Kontaktmodule ist vorteilhaft
vorgesehen, dass die Kontaktmodule in einer x-Richtung entlang einer
Trägerschienenanordnung
mit mindestens einer Trägerschiene
aufgereiht sind.
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Dabei wird eine parallele Anordnung
der Reihen von Kontaktmodulen dadurch einfach ermöglicht,
dass eine Trägerschiene
oder mehrere in y-Richtung zueinander parallel versetzte Trägerschienen
an einem Trägergestell
gelagert ist/sind. Dabei kann der Aufbau derart sein, dass sowohl
der Abstand innerhalb der Reihen als auch zwischen den Reihen verstellbar
und festlegbar ist.
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Ein geringer Platzbedarf und eine
sichere, störungsfreie
Kontaktgabe werden dadurch erreicht, dass die Schaltelementanordnug
als Schaltelemente Reedrelais aufweist.
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Mit den angegebenen Maßnahmen
werden sowohl integrale Widerstandsmessungen als auch Einzelpunktmessungen
unter entsprechender Programmierung der Steuerelektronik durchführbar, wobei
auch das Messraster über
die Steuerelektronik geeignet wählbar
ausgelegt werden kann. Mittels der integralen Flächenwiderstandsbestimmung können z.B.
die Homogenität
leitender Flächen,
Folien, Solarzellen, Membranen oder Filtern untersucht werden. Mittels
der Steuerelektronik und eines angeschlossenen Sichtgeräts können die
Messergebnisse über
die Fläche
dreidimensional angezeigt oder mittels Zahlenangaben dargestellt
werden. Es lassen sich statistische Auswertungen, beispielsweise
eine Gut-Schlecht-Beurteilung vornehmen und ein Herstellungsprozess
entsprechend steuern.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Blockdarstellung einer Kelvin-Messeinrichtung,
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2 ein
Kontaktmodul der Messeinrichtung in perspektivischer Darstellung,
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3 mehrere
aneinandergereihte Kontaktmodule in perspektivischer Darstellung,
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4 zwei
nebeneinander liegende Reihen von Kontaktmodulen in perspektivischer
Darstellung und
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5 eine
Matrix mit in x-y-Anordnung positionierten Kontaktmodulen.
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Bei einer in 1 gezeigten Kelvin-Messeinrichtung sind
mehrere Kontakte 1 eines Kontaktarrays bzw. einer Kontaktanordnung 6 von
Kelvin-Messeinheiten auf einer Messfläche in Form einer Oberfläche aufgesetzt,
um zwischen Kelvin-Kontakteinheiten
mit jeweils vier Kontakten 1 vorhandene Widerstände R1 ...
Rn zu messen. Die äußeren Kontakte 1.1,
auch als Source-Kontakte oder Driveoder Forcing-Kontakte bezeichnet,
dienen zum Einleiten eines Konstantstroms in den Prüfling. Die
inneren Kontakte 1.2, auch als Sensing-Kontakte bezeichnet, dienen
dem Abgriff der abfallenden Messspannung am Prüfling, die einem hochohmigen
Voltmeter in einem Kelvin-Messgerät 10, zugeführt wird.
Hierbei ist der Spannungsabfall an dem Sense-Kontaktwiderstand vernachlässigbar,
weil der Messstrom, bedingt durch den hochohmigen Innenwiderstand
des Voltmeters ebenfalls vernachlässigbar ist. Kontaktübergangswiderstand
und Zuleitungen im Source-Kreis werden hierbei kompensiert. Somit
wird bei direkter Kontaktierung am Prüfling der wahre Ohmwert des Widerstands
R gemessen.
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Die Kontakte 1 sind vorzugsweise
direkt mittels Verbindungsleitungen 3, beispielsweise abgeschirmten
Koaxialkabeln mit Schaltelementen einer Schaltelementeanordnung 8 verbunden
und von dort über
weitere Verbindungsleitungen 3 an Kelvin-Terminals 7 angeschlossen.
Die Verbindungsleitungen 3 besitzen möglichst gleiche Widerstände, die
Schaltelemente sind beispielsweise Reedkontakte, die leicht und
störungsfrei
ansteuerbar sind.
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Die aus massivem gut leitfähigem Metall,
insbesondere Kupfer bestehenden Terminals 7 sind über z.B.
koaxiale, widerstandsgleiche Messleitungen 9 an Messeingänge des
Kelvin-Messgeräts 10 angeschlossen.
Die Anschlussstellen der Verbindungsleitungen 3 an den
Terminals 7 sind gleich weit von dem Anschlusspunkt der
Messleitung an dem entsprechenden Terminal 7 zum Gewährleisten
eines gleichen Widerstands angeschlossen.
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Das Messgerät 10 und die Schaltelemente der
Schalteranordnung 8 werden zeitsynchron mittels einer Zuordnungseinrichtung 11.3 einer
Steuerelektronik 11 zur Aufnahme des Widerstands-Messwerts
angesteuert, wobei der Messwert in dem Messgerät 10 gespeichert werden
kann und/oder über eine
entsprechende Anschlussleitung in eine Speichereirichtung 11.1 der
Steuerelektronik 11 übertragen
und dort zur Weiterverarbeitung mittels einer Auswerteeinrichtung 11.4 der
Steuerelektronik 11 abgelegt werden kann. Die Steuerelektronik 11 besitzt des
Weiteren eine Schnittstelle 11.2, über die sie Daten an eine oder
von einer weiteren Steuereinrichtung, beispielsweise einer übergeordneten
Prozesssteuerung ausgeben bzw. empfangen kann.
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Bei der vorliegenden Kelvin-Messeinrichtung sind
eine Anzahl von Kontaktmodulen 2 mit jeweils zwei in einem
Isolierkörper
aufgenommenen Kontakten 1 matrixartig positioniert. Zwei
nebeneinander liegende oder sich gegenüberliegende Kontaktmodulen 2 bilden
eine Kelvin-Anordnung mit einer Kontakteinheit aus Kontakten 1.
Die zwei einander zugeordneten Kontaktmodule 2 sind über vier
Verbindungsleitungen 3 und Schaltelemente der Schaltelementanordnung 8 mit
den vier mit dem Messgerät 10 verbundenen
Terminals 7 verbunden. Mittels der Zuordnungseinrichtung 11.3 werden
die einzelnen Kelvin-Kontakteinheiten über die
jeweils zugeordnete Schaltelementeanordnung 8 über die
vier Terminals 7 durch zeitsequenzielle Ansteuerung der
jeweiligen Schaltelementeanordnung 8 an das Messgerät 10 angelegt,
wobei die Messwerte bereits in dem Messgerät 10 oder aber erst
in der Steuerelektronik 11 mit den entsprechenden Adressen
der Kontaktmodule 2 oder betreffenden Kelvin-Kontakteinheiten
bzw. der Messpositionen in der Messmatrix belegt werden. Die jeweiligen
Schaltelemente werden ebenfalls über entsprechende
Adressen angesteuert. Nach Ende einer Messfolge, die entsprechend
programmiert werden kann und z.B. nicht alle durch die Matrix mit
den Kontaktmodulen 2 oder Kontakteinheiten vorgegebenen
Messpositionen umfassen muss, können
die Messwerte nach entsprechender Auswertung und grafischer Aufbereitung
durch die Messwerteeinrichtung 11.4 mittels einer angeschlossenen
Anzeigevorrichtung dargestellt werden.
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Wie 2 zeigt,
sind in einem Isolierkörper eines
Kontaktmoduls 2 zwei parallele Kontakte 1 angeordnet.
Der obere Teil des Kontaktmoduls 2 ermöglicht die Kontaktierung der
Verbindungsleitungen 3a; alternativ können die Kontakte 1 aus
dem oberen Abschnitt seitlich herausgeführt und an seitliche Verbindungsleitungen 3b angeschlossen
sein. Eine durchgehende Ausnehmung im oberen Abschnitt der Kontaktmodule 2 dient
zum Durchführen
einer Trägerschiene 4,
die beispielsweise auch aus zwei Teilschienen bestehen kann. Die
Kontaktmodule 2 können
aneinanderliegend oder unter Abstand in gewünschter Anzahl und Auslegung
der Messeinrichtung auf der Trägerschienenanordnung 4 angeordnet und
fixiert werden.
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Um die vier Kontakte, zwei Source-Kontakte 1.1 und
zwei Sense-Kontakte 1.2, zu erhalten, können zwei Kontaktmodule 2 sich
gegenüberliegend auf
zwei Trägerschienenanordnungen 4 angeordnet werden,
um die Messanordnung nach 1 zu
erhalten. Es ist aber auch denkbar, alle vier Kontakte einer Kelvin-Messeinheit bzw.
Kontakteinheit in demselben Kontaktmodul 2 unterzubringen
oder zwei auf einer Trägerschiene
nebeneinanderliegende Kontaktmodule 2 mit je zwei Kontakten 1.1, 1.2 zu
einer Kelvin-Kontakteinheit miteinander zu kombinieren und auch
in der Steuerelektronik einander zuzuordnen.
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Wie in 4 gezeigt,
können
mehrere in x-Richtung aufgereihte Kontaktmodule 2 einer
ersten Trägerschiene 4.1 parallel
zu in y-Richtung beabstandeten, auf einer zweiten Trägerschiene 4.2 oder weiteren
Trägerschienen
aufgereihten Kontaktmodulen 2 angeordnet werden, um eine
flächige
Anordnung von Kontaktmodulen 2 zu erhalten. Die Trägerschienenanordnung 4 ist
auf einem Trägergestell 5 in Form
eines Gestellrahmens angeordnet, so dass die Trägerschienen 4.1, 4.2 auch
in unterschiedlichem Abstand zueinander positioniert und fixiert
werden können.
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5 zeigt
eine flächenartige
Anordnung von Kontaktmodulen 2 mit ihren Kontakten 1. Über die
Schaltelementeanordnung 8 mit den Reedrelais können somit
die einzelnen Kontakteinheiten als Kontaktarrays wahlfrei angesteuert
werden.
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Mit dem beschriebenen Aufbau lässt sich eine
integrale Widerstandsmessung entsprechend der Größe der Matrixanordnung in kurzer
Zeit, beispielsweise im Sekundenbereich zuverlässig durchführen, wobei sich z.B. Flächen der
Größe von 200 × 200 mm
bis 30 × 30
mm in der beschriebenen Weise vermessen lassen. Die Kelvin-Messmethode
ergibt dabei genaue Messwerte insbesondere im Ohm-Bereich und Milliohm-Bereich
und lässt
damit Rückschlüsse auf
die Beschaffenheit der Oberfläche,
wie z.B. einer leitenden Lackschicht, einer galvanischen Beschichtung
oder anderen Oberflächenschichten oder
des Innenwiderstandes von Solarzellen, Membranen, Filtern oder Folien
zu.