DE2107076C3

DE2107076C3 - Magnetischer Schicht-Dickenmesser

Info

Publication number: DE2107076C3
Application number: DE2107076A
Authority: DE
Inventors: Erich Dr.-Ing. 5300 Bonn Steingroever
Original assignee: Elektro-Physik Hans Nix & Dr-Ing E Steingroever Kg 5000 Koeln
Current assignee: Elektro-Physik Hans Nix & Dr-Ing E Steingroever Kg 5000 Koeln
Priority date: 1971-02-15
Filing date: 1971-02-15
Publication date: 1975-01-30
Also published as: DE2107076B2; US3761804A; DE2107076A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein magnetisches Meßgerät zur Messung der Dicke von nichtmagnetischen Schichten auf ferromagnetischer Unterlage oder von magnetischen Schichten auf nichtmagnetischer Unterlage, bei dem die zu messende Schicht mit einem oder auch mit 2 im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildeten Meßpolen unmittelbar berührt wird.

Magnetische Dickenmesser für Schichten sind in Verschiedenen Arten gebaut worden:

a) Ausnutzung der Haftkraft auf der zu messenden Schicht,

b) Ausnutzung der Beeinflussung eines magnetisehen Gleichfeldes durch die Schicht,

c) Ausnutzung der Beeinflussung eines magnetischen Wechselfeldes durch die Schicht.

In allen Fällen wird die zu messende Schicht mit einem oder auch mit zwei Meßpolen berührt, die aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen und im allgemeinen halbkugelförmig ausgebildet sind. Diese Meßpole bestehen im Fall a) aus Dauermagnetwerkstoff oder aus Weicheisen, in den Fällen b) und c) immer aus Weicheisen, .

Mit »Dauermagnetwerkstoff« ist ein Werkstoff mit hoher Koerzitivfeldstärke H_r> 100 Oersted und verhältnismäßig hoher Sättigungsmagnetisierung gemeint, mit »Weicheisen« ein Werkstoff mit niedriger Koerzitivfeldstärke, aber hoher Sättigungsmagnetisierung von J 8 000 bis 21400 Gauß.

Bei den bekannten magnetischen Dickenmessern mit Polen aus Weicheisen wurde ein hochpcrmeabier Werkstoff verwendet, so daß der magnetische Kraftfluß bei unmittelbarer Berührung der Eisenunterlage durch eine möglichst kleine Fläche in die Unterlage hineingeleitet wurde, um dadurch eine höchstmögliche Kraftliniendichte zu erzielen. Dies wurde durch Verwendung eines Werkstoffes mit hoher Sättigungsmagnetisierung erreicht, nämlich von Eisen mit einer Sättigungsmagnetisierung von 21 400 Uaub.

Dickenmesser mit Meßpolen aus diesen Werkstoffen besitzen aber den Nachteil, daß bei der Zusammenschnürung der magnetischen Flußlink-n am Berührungspunkt mit der Schicht die Messung stark von dem jeweiligen Zustand der Schicht am Berührungspunkt beeinflußt wird.

Kleine Erhöhungen oder Vertiefurgen dieser Stelle täuschen stark streuende Meßwerie vor. die aber für die Bestimmung der Schichtdicke im Mittel von Bedeutung sind. Auch verläuft die Kalibrierkiirve (Ausschlag in Abhängigkeit von der Schichtdicke) am Beginn des Meßbereiches, bei dünnen Schichten auf magnetischer Unterlage, zu steil, um später, bt:i dickeren Schichten, zu flach zu sein. Schließlich bewirkt bei den bekannten Dickenmessern das Zusammenziehen der Kraftlinien an der Übergangsstelle eine starke Abhängigkeit der Meßgenauigkeit von der Dicke der Eisenunterlage, indem bei dünnen Eisenblechen diese an der Übei^angsstelle ebenfalls magnetisch gesättigt werden, so daß ihr magnetischer Widerstand in das Meßergebnis eingeht. Dieses ist aber nur dann unabhängig von der Dicke der Eisenunterlage, wenn der magnetische Widerstand derselben klein ist.

Der Erfinder hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein magnetisches Dickenmeßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen großen Meßbereich, möglichst gleichmäßigen Verlauf der Empfindlichkeitskurve und eine geringe Abhängigkeit der Anzeige von der Dicke der Eisenunterlage aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der oder die Meßpole aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen, dessen Sättigungsmagnetisierung weniger als 14000 Gauß beträgt.

Durch die niedrige Sättigungsmagnetisierung des Meßpoles wird das Zusammenschnüren der magnetischen Flußlinien an der Berührungsstelle mit der Schicht verringert und dadurch ein geraderer Skalenverlauf erzielt. Es hat sich gezeigt, daß damit auch ein weiterer Meßbereich, von 0 aus zu höheren Schichtdicken, ermöglicht ist. Ferner erlaubt die erfindungsgemäße Verwendung von Meßpolen mit niedriger Sättigungsmagnetisierung bei der Messung von nichtmagnetischen Schichten auf ferromagnetischen Unterlagen, diese Messung auf wesentlich dünneren Unterlagen durchzuführen, auf denen bei starkem Zusammenziehen der magnetischen Flußiinien wegen der Sättigung der Unterlage keine Messung mehr möglich ist.

Zwar ist schon bei tier britischen Patentschrift 1001081 in der Meßsonde eines magnetischen Dickenmessers ein Ferrit-Kern 63 verwendet worden. Dieser ist aber nicht halbkugelförmig abgerundet und steht nicht mit dem Meßobjekt in Berührung, sondem ist von ihm durch den Saphir 65 getrennt, so daß das Problem der Zusammenschnürung der magnetischen Feldlinien nicht auftritt, auf das sich die Erfindung bezieht.

Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn der Werkstoff der Meßpole eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 3 Oersted, vorzugsweise weniger als 1 Oersted, sowie eine mechanische Härte von mehr als H_Kf = 20 aufweist.

Ein Werkstoff, der nach der Erfindung für Meßpole von Dickenmessern vorteilhaft Verwendung findet, besteht aus einer Legierung von Fe mit 13 bis 18 ⁰A) Al, vorzugsweise aus Fe mit etwa 16°/o Al, und weist eine Sattigungsmagnetisierung von 5000 bis 10000 Gauß und eine Kocrzitivfeldstärke von weniger als 1 Oersted auf. Dabei kann zur Beeinflussung der Härte das Al bis zu 8°/o durch Si er-;tzt sein. Geringe, die genannten Eigenschaften der Legierung nicht wesentlich beeinflusi.ende Zusätze an weiteren Elementen sind selbstverständlich möglich.

Erfindungsgemäßc Mcßpolc mit niedriger Sättigungsmagnetisierung sind bei den drei obengenannten Meßverfahren von Vorteil.

In Fig. 1 ist ein Dickenmesser nach dem Haftkraftprinzip dargestellt, bei dem ein Dauermagnet 1, der mit einem Pol 2 mit niedriger Sättigungsmagnetisierung versehen ist, von der nichtmagnetischen Schicht3, die auf ferromagnetischer Unteslagc4 liegt, mittels der Feder 5 abge2:ogen wird. Die maximale Haftkraft wird auf der Skala 6 mittels Zeiger 7 abgelesen und ist ein Maß für die Dicke der Schicht 3.

Den Verlauf der Haftkraftkurven zeigt Fig. 2. Darin ist di<" Haftkraft über der Schichtdicke aufgetragen. Bei einem Meßpol mit hoher Sätligungsmagnetisierung von etwa 20000 Gauß wird die Kurve d erhalten, bei einem solchen mit einer Sättigungsmagnetisierung von etwa 8000Gauß die Kurvet·, die im Anfang flacher verläuft und einen weiteren Bereich überstreicht.

F i g. 3 zeigt einen Dickenmesser, bei dem ein magnetisches Gleichfeld durch die Dicke einer Schicht beeinflußt wird. Der Fluß des Dauermagneten 8 verläuft teils durch den Nebenschluß 9 und den Luftspalt 10 mit einem magnetfeldempfindlichen Halbleiter, z. B. einer Hallsonde 11, teils über die Meßpole 12 und 13 durch die zu messende nichtmagnetische Schicht 14 zu der magnetischen Unterlage 15 hin. Die magnetische Feldstärke im Luftspalt des Nebenschlusses beeinflußt die Hallsonde 11, deren Hallspannung mit dem Gerät 16 ausgewertet wird. Auch hier ergibt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkstoffes für die Meßpole 12 und 13 einen besseren Kurvenverlauf, einen größeren Meßbereich sowie die weiteren obengenannten Voneile. Auch bei Dickenmessem mit magnetischem Wechselfeld können die erfindung^cgeniäßen Werkstoffe Verwendung finden. Das Sehern;·, eines solchen Meßgerätes ist in F i g. 4 dargestellt.

Auf einem Meßpol 17 ist eine Wicklung 18 aufgebracht, die als Zweig in einer Brücke 19 liegt und vom Generator 20 mit Wechselspannung versorgt wird, in Abhängigkeit von der Dicke der zu messenden Schicht 21 auf der ferromagnetischen Unterlage 22 tritt eine Verstimmung der Brücke 19 ein. so daß nach Kalibrierung am Instrument 23 Werte der Schichtdicke abgelesen werden können. Bei der Messung mit magnetischem Wechselfeld ist es besonders vorteilhaft, daß die erfindungsgemäßen Legierungen mit niedriger Sattigungsmagnetisierung oft auch eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies ist z. B. bei den genannten Fe-Legierungen mit Al und oder Si der Fall.

In bezug auf die geringe elektrische Leitfähigkeit liegen die weichmagnetischen Ferrite noch niedriger. Da sie auch eine geringe Sattigungsmagnetisierung aufweisen, sind sie für Meßpole von Dickenmessern erfindungsgemäß ebenfalls besonders geeignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetisches Meßgerät zur Messung der Dicke von nichtmagnetischen Schichten auf ferro- S magnetischer Unterlage oder von magnetischen Schichten auf nichtmagnetischer Unterlage, bei dem die zu messende Schicht mit einem oder auch mit 2 im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildeten Meßpolen unmittelbar berührt wird, da- <» durch gekennzeichnet, daß der oder die Meßpole aus einem weichmagnetischen Werkstoff bestehen, dessen Sättigungsmagnetisierung weniger als 14000 Gauß beträgt.

2. Magnetisches Meßgerät nach Anspruch 1, »5 dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßpole eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 3 Oersted aufweisen, vorzugsweise weniger als 1 Oersted.

3. Magnetisches Meßgerät nach Anspruch 1 *° und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßpole eine mechanische Härte von mehr als HRC = 20 aufweisen.

4. Magnetisches Meßgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßpole aus einer Legierung von Fe mit 13 bis 18% AI bestehen.

5. Magnetisches Meßgerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßpole aus ;iner Legierung von Fe mit etwa 16°/oAl bestehen, die eine Sättigungsmagnetisierung von 5000 bis lOOüOGaurf und eine Koerzitivfeldstärke von weniger als ? Oersted aufweist.

6. Magnetisches Meßgerät nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Al bis zu 8% durch Si ersetzt ist.

7. Magnetisches Meßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßpole aus einem weichmagnetischen Ferrit bestehen.