DE19949977A1

DE19949977A1 - Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins von anorganischen, organischen oder Oxidschichten auf metallischen Substraten oder der Messung von Oberflächentemperaturen von Kunststoffsubstraten

Info

Publication number: DE19949977A1
Application number: DE1999149977
Authority: DE
Inventors: Stefan Rochler; Mirko Taschenberger; Sebastian Siegel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-10-13
Filing date: 1999-10-13
Publication date: 2001-05-03
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: DE19949977B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins von anorganischen, organischen oder Oxidschichten auf metallischen Substraten oder der Messung von Oberflächentemperaturen von Kunststoffsubstraten. Mit der erfindungsgemäßen Lösung sollen kostengünstig und in kurzer Zeit die genannten Schichten und Temperaturen auf den Oberflächen solcher Substrate detektiert werden. Hierzu wird mindestens ein als kapazitives oder induktives Element, als Elektrode wirkend, mit einem mit einer Gleichspannung gespeicherten Oszillator zu einem Schwingkreis verschaltet und in einem bekannten Abstand d zur Oberfläche des Substrates angeordnet. Infolge einer zwischen der Substratoberfläche und der Elektrode angeordneten Schicht oder einer Temperaturänderung auf der Oberfläche eines Kunststoffsubstrates tritt eine Verstimmung des Schwingkreises auf und die daraus resultierende Frequenzänderung kann mit einem Frequenzzähler gemessen und ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins von anorganischen, organischen oder Oxidschichten auf metallischen Substraten oder der Messung von Oberflächentemperaturen von Kunst stoffsubstraten. Die Erfindung kann insbesondere bei der Überprüfung von Halbzeugen, die weiter nachbear beit werden müssen, eingesetzt werden. So kann fest gestellt werden, ob eine Reinigung von Oberflächen, auf denen Öl, Schmiermittel oder Farbreste entfernt werden sollten, in ausreichendem Maß erfolgt ist, so dass nachfolgende Fügeverfahren, wie z. B. Schweißen oder der Auftrag von Schutzschichten mit ausreichen der Haftung ohne weiteres erfolgen kann. Außerdem können Oxidschichten, insbesondere solche die sich auf Aluminium ausgebildet haben und die ebenfalls häufig störend sind, erkannt werden.

Die Erfindung kann aber auch ausgenutzt werden, um eine erforderliche Beschichtung von Substraten zu detektieren, wie dies z. B. bei der Benetzung von Tiefziehblech vor dem Umformen der Fall ist, um Ver schleiß und Beschädigungen an Werkzeugen zu verrin gern oder zu vermeiden.

Für Kunststoffoberflächen kann die Erfindung eben falls eingesetzt werden, da sich die Dieelektrizitäts konstante vieler Kunststoffe temperaturabhängig än dert.

Bei der berührungslosen Detektion von Verunreinigun gen auf verschiedenen Oberflächen haben sich in vie len Fällen optische Verfahren bewährt, bei denen eine spektrometrische Auswertung durchgeführt wird. Pro blematisch sind dabei aber Schichten, die für das verwendete Licht zumindest teilweise transparent sind und kleine von der Umgebung abweichende Brechungsin dize aufweisen. In jedem Fall wirkt sich der Streu- und Fremdlichteinfluß negativ aus, so dass optische Verfahren nicht in jedem Fall mit ausreichender Ge nauigkeit verwendet werden können. Gegenwärtig sind optische Meßaufbauten nicht überall einsetzbar und insbesondere bei Verwendung von Spektrometern noch teuer.

Daneben ist aus US 5,293,132 eine Meßvorrichtung be kannt, mit der Schichtdicken auf Substraten bestimmt werden können, wobei LC- oder RC-Schwingkreise ver wendet und deren Verstimmung ausgenutzt werden, um Aussagen über die punktweise ermittelte Dicke einer Schicht durch Bestimmung der Frequenzänderung des Schwingkreises zu erhalten.

Hierzu wird ein mechanisches System verwendet, das unmittelbar mit der jeweiligen Oberfläche definiert kontaktiert wird, wobei eine Spule oder ein kapaziti ves Element mit dem mechanischen, aufwändig konstru ierten System entsprechend ausgelenkt und bei bekann ter Schichtzusammensetzung, also bekannter Dielektri zitätskonstante der jeweiligen Schicht deren Dicke bestimmt werden soll.

Diese Lösung ist aber insbesondere für die Anwendung großformatiger Substrate, die in kurzer Zeit be mustert werden müssen ungeeignet, da Messungen, wie bereits erwähnt nur Punktweise erfolgen können und bei einer Relativbewegung Gerät und Substrat nicht nur Verschleiß sondern auch infolge wirkender Quer kräfte Meßfehler auftreten. Da für die Mechanik hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich ist, sind auch hier relativ hohe Kosten zu verzeichnen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung vorzuschlagen, mit der in kur zer Zeit organische oder Oxidschichten auf metalli schen Substraten detektiert oder Temperaturen auf Oberflächen von Kunststoffsubstraten gemessen werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Merk malen der untergeordneten Ansprüche erreichbar.

Erfindungsgemäß wird so verfahren, dass mindestens eine Elektrode in einem bekannten Abstand d, im Be reich zwischen 0,1 bis 10 mm zur zu detektierenden Oberfläche angeordnet wird. Dabei kann die Elektrode als kapazitives oder auch induktives Element mit ei nem Oszillator zu einem Schwingkreis verschaltet sein. Der Oszillator kann mit einer definierten kon stanten Gleichspannung gespeist und mit einer Frequenz im Bereich 100 bis 500 MHz, bevorzugt bei ca. 400 MHz betrieben werden, wobei möglichst im Be reich der jeweiligen Resonanz gearbeitet werden soll.

Durch eine auf dem metallischen Substrat vorhandene oder dort ausgebildete Schicht wird der Schwingkreis verstimmt, was zu einer Änderung der Frequenz führt, die mittels eines Frequenzzählers erfaßt und demzu folge eine entsprechende anorganische oder organische Schicht als Verunreinigung bzw. eine ausgebildete Oxidschicht erkannt werden kann. Es besteht lediglich das Erfordernis, dass das Schichtmaterial eine rela tive Dielektrizitätskonstante aufweist, die von Luft abweicht.

Die ggf. vorhanden Schicht und die Luft im Spalt zwi schen Oberfläche des Substrates und der Elektrode bilden ein geschichtetes Dielektrikum.

Es kann aber auch ein spannungsgeregelter Oszillator verwendet werden, der in Abhängigkeit von der gemes senen Frequenzänderung auf eine vorgegebene Schwing frequenz geregelt wird. In diesem Fall kann auch die für die Regelung erforderliche Spannungsdifferenz als Meßwert für die gewünschte Aussage, ähnlich wie dies bei der Nutzung der Frequenzänderung erfolgt, genutzt werden.

Die relative Dielektrizitätskonstante ändert sich bei Kunststoffen häufig ebenfalls bei wechselnden Tempe raturen, so dass auch eine Temperaturmessung an sol chen Oberflächen mit der Erfindung möglich ist.

Bei der Erfassung von Schichten auf Substraten genügt es in der Regel eine Gut-Schlecht-Aussage zu treffen.

Hierfür kann eine obere bzw. ggf. eine untere Grenz frequenz festgelegt werden und nach Überschreitung dieses Intervalls erkannt werden, dass z. B. eine Rei nigung nicht in ausreichendem Mass erfolgt ist und ggf. wiederholt werden muss, bevor eine weitere Be arbeitung möglich ist. So kann beispielsweise erkannt werden, ob ein tiefgezogenes Blech frei von Schmier mittel (Tiefziehöl) ist und problemlos nachfolgend geschweißt oder beschichtet werden kann oder noch nicht.

Bei bekannter stofflicher Schichtzusammensetzung kann auch eine Aussage über die Dicke der jeweiligen Schicht getroffen werden.

Günstig ist es, den Abstand zwischen Elektrode und Oberfläche bevorzugt ebenfalls berührungslos zu mes sen und den jeweils gemessenen Abstand bei der Aus wertung zu berücksichtigen. Dies wirkt sich insbeson dere dann aus, wenn konturierte Oberflächen detek tiert werden sollen oder eine Relativbewegung zwischen Substrat und Elektrode zu verzeichnen ist, wenn beispielsweise großformatige Substrate detek tiert werden sollen, wobei auch Schwingungen auftre ten können, die berücksichtigt werden müssen.

Bei der Detektion größerer Oberflächen kann z. B. eine Elektrode in zumindest einer Achse ausgelenkt und gleichzeitig das jeweilige Substrat gleichförmig an der Elektrode vorbeibewegt werden, um eine ortsaufge löste Messung zu ermöglichen. Dies kann aber auch mit einer in mindestens zwei Achsen in Bezug zur Oberflä che beweglichen Elektrode erreicht werden.

So kann es genügen bestimmte Oberflächenbereiche ei nes Substrates zu detektieren, indem eine ent sprechend gesteuerte Relativbewegung durchgeführt wird. In diesem Fall können beispielsweise lediglich Bereiche detektiert werden, die in einer nachfolgen den Bearbeitung kritisch sind, wie dies beispielswei se beim Schweißen von Blechen der Fall ist.

Eine weitere Alternative ist die Verwendung mehrerer Elektroden, die zueinander parallel geschaltet sind. In diesem Fall kann für jede Elektrode ein gesonder ter Frequenzzähler verwendet werden. Bei Verwendung lediglich eines Frequenzzählers kann eine sequentiel le Erfassung der Meßwerte der einzelnen Elektroden mittels eines Multiplexers erreicht werden.

Es kann auch günstig sein, den Abstand der Elektro de(n) in Bezug zu einem Punkt auf der Oberfläche zu variieren, wobei sich die relative Dieelektrizitätskon stante abstandsabhängig und ggf. durch eine Zwischen schicht zusätzlich noch sprunghaft ändert, so dass eine höhere Signifikanz bei der Messung erreicht wer den kann.

Vorteilhafterweise sollten die Elektroden so gestal tet sein, dass sie an die jeweilige zu detektierende Oberfläche und ggf. an die erforderliche Meßgenauig keit angepaßt sind. So liefern großformatige Elektro den in Plattenform ein entsprechend integrales Meß ergebnis über eine größere Fläche. Ähnlich verhält es sich bei Spulen, deren mindestens eine Wicklung dann parallel zur jeweiligen Oberfläche ausgerichtet sein sollte.

In jedem Fall sollten die Elektroden so gestaltet und dimensioniert sein, dass zwischen ihnen und der je weils zu detektierenden Oberfläche ein möglichst ho mogenes elektromagnetisches Feld ausgebildet wird. So kann eine Elektrode auch die entsprechende Oberfläche überragen und über deren Ränder überstehen.

Stabförmige Elektroden sind besonders zur relativ feinen Detektion von Randbereichen oder Wölbungen geeignet.

Ringförmig ausgebildete Elektroden können beispiels weise für Rohre oder Rundprofile eingesetzt werden, die dann definiert, möglichst zentriert durch den Ring geführt werden.

Wird beispielsweise mindestens eine Elektrode, als kapazitives Element verwendet, führt eine auf einem Substrat vorhandene Schicht oder auch eine andere Verschmutzung zur Änderung der Kapazität im elektro magnetischen Wechselfeld und somit auch zur Änderung der Frequenz.

Wird beispielsweise eine Ölschicht auf einem Substrat detektiert ändert sich die Kapazität entsprechend Gleichung:

Dabei sind:
_Luft, _Öl die rel. Dielektrizitätskonstanten von Luft und Öl und
d_Luft, d_Öl die jeweilige Schichtdicke bzw. der Luft spalt, ausgegangen von einem konstanten Abstand Elek trode - Oberfläche gilt:

d_Luft = d_ges - d_Öl.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie ben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß verwendbaren Vorrichtung;

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine kapaziti ve Elektrode zur Erfassung einer auf einem Substrat vorhandenen Schicht;

Fig. 3 Beispiele für Elektrodengeometrien und

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Bei spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gezeigt, mit der erfindungsgemäß gearbeitet werden kann und bei der lediglich eine Elektrode 2, als ka pazitives Element verwendet wird, die, wie in Fig. 2 dargestellt in einem Abstand d zu einer Oberfläche eines Substrates 1 angeordnet ist. Das elektromagneti sche Wechselfeld wird durch eine auf der Substrat oberfläche vorhandene Schicht 4, die mit der Luft ein geschichtetes Dielektrikum bildet, beeinflußt, was unter anderem zur Änderung der Frequenz des Schwing kreises führt, die mit einem Frequenzzähler 5 erfaßt werden kann. Der Frequenzzähler 5 kann an eine elek tronische Auswerteeinheit angeschlossen sein, mit der das Detektionsergebnis auch visuell oder akustisch, als Warnung angezeigt bzw. hörbar gemacht werden kann.

In Fig. 3 sind Beispiele für mögliche Elektrodengeo metrien gezeigt, wobei die links dargestellte quadra tische Form insbesondere integrierende Meßergebnisse liefern kann. Die mittig dargestellte stabförmige Elektrode ist besonders zur Detektion in Randberei chen eines Substrates 1 und auch mit großem Auf lösungsvermögen, z. B. für die Erkennung von sprunghaften Änderungen auf der Oberfläche, geeignet.

Allgemein kann aber festgehalten werden, dass auch andere Geometrien eingesetzt werden können, wobei generell festgestellt werden soll, dass das erzeugte elektromagnetische Wechselfeld maßgeblich von der Elektrodengeometrie und deren Ausdehnung beeinflußt wird.

Das Beispiel nach Fig. 4 ist eine alternative Mög lichkeit zur Verwendung der Erfindung. Hier wird ein spannungsgeregelter Oszillator 3 verwendet, an den ein Spannungsregler 6 angeschlossen ist. Mit dem Spannungsregler 6 wird die Schwingfrequenz konstant gehalten, wobei an Stelle der gemessenen Frequenzän derung, die jeweilige Spannungsänderung, die für die Regelung des Oszillators 3 auf die konstante Frequenz erforderlich ist, ausgewertet wird. Auch hier können Spannungsgrenzwerte festgelegt werden, mit denen zu mindest eine Gut-Schlecht-Aussage und nach Überschreiten einer vorgegebenen Toleranzen in einen Prozeß steuernd eingegriffen werden kann.

Ein Spannungsregler 6 ist mit einem A/D-Wandler 7 und über diesen mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit, die wie gezeigt aus einem Mikrokon troller 8 mit einer Anzeige 9 und verschiedenen Aus gängen 10 und 11 bestehen kann, verbunden.

Dabei kann zumindest einer der Ausgänge 10 oder 11 mit einer Steuerung für einen Bearbeitungsprozeß ver bunden sein, um Einfluß auf diesen zu nehmen, wenn dies beispielsweise zur Sicherung der Qualität erfor derlich ist. So kann der Prozeß unterbrochen werden, wenn eine Schicht 4 auf dem Substrat 1 detektiert worden ist oder es kann beispielsweise eine erneute Reinigung eines so beeinflußten Substrates 1 vor der weiteren Bearbeitung automatisch initiiert werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins von anorganischen, organischen oder Oxidschichten auf metallischen Substraten oder der Messung von Oberflächentemperaturen von Kunststoffsubstra ten, bei dem mindestens eine als kapazitives oder induktives Element wirkende Elektrode (2), die mit einem mit einer Gleichspannung gespei sten Oszillator (3) zu einem Schwingkreis ver schaltet ist/sind, mit einem bekannten Abstand d zur Oberfläche des Substrates (1) angeordnet wird und ein infolge einer zwischen Substrat oberfläche angeordneten Schicht (4) oder einer Temperaturänderung auf der Oberfläche eines Kunststoffsubstrates durch Verstimmung des Schwingkreises auftretende Frequenzänderung mit einem Frequenzzähler gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die elektrische Spannung am Oszillator (3) konstant gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die elektrische Spannung am Oszillator in Abhängigkeit der gemessenen Frequenzänderung auf eine vorgegebene Frequenz geregelt und die erforderliche Spannungsdifferenz als Meßwert ausgenutzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Substratoberfläche und Elektrode(n) (2) gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass der Abstand konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass gemessene Abstands änderungen unter Berücksichtigung der abstands bedingten Änderung der relativen Dieelektrizi tätskonstante berücksichtigt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, dass die Bestimmung bzw. Messung durch Relativbewegung von Elektrode(n) (2) und Substrat (1) und/oder die Verwendung von mehreren parallel geschalteten Elektroden (2) mit entsprechender Anordnung ortsaufgelöst durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Substrat (1) und Elektrode(n) (2) ent lang mindestens zweier orthogonal zueinander ausgerichteter Achsen definiert gesteuert wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszilla tor (3) mit einer Frequenz im Bereich 100 bis 500 MHz betrieben wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszilla tor (3) im Resonanzbereich betrieben wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Substratoberfläche und Elektrode(n) (2) bei Re lativgeschwindigkeit = 0 zwischen Substrat (1) und Elektrode(n) (2) variiert wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens eine Elektrode (2), die an einen Oszillator (3) in Form eines Schwingkreises angeschlossen ist, mit bekanntem Abstand d zu einer Oberfläche eines Substrates (1) angeordnet ist und ein Frequenzzähler (5) an den Oszillator (3) angeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Abstand d im Bereich zwischen 0,1 und 10 mm eingehalten ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstandssensor vorhan den ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an einen spannungs geregelten Oszillator (3) ein Spannungsregler (6) angeschlossen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode(n) (2) in Form einer Spule mit mindestens einer Windung, die parallel zur zu detektierenden Oberfläche des Substrates (1) ausgerichtet ist, ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode(n) (2) platten-, stab-, kreis- oder ringförmig aus gebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Fläche der Elektrode(n) (2) größer, als die zu detek tierende Oberfläche des Substrates (1) ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektroden (2) parallel geschaltet sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, dass für jede Elektrode (2) ein geson derter Frequenzzähler (5) vorhanden ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, dass zwischen den Elektroden (2) und einem Frequenzzähler (5) ein Multiplexer vorhan den ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass an der/den Elektro de(n) (2) ein gesteuerter Antrieb für eine Aus lenkung in zumindest Achse vorhanden ist.