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Verfahren zur berührungslosen messung von elektrischen Widerständen
Die Erfindung Dezient sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung von elektrischen
Widerständen.
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Zur Messung eines elektrischen Widerstandes wird allgemein ein elektrischer
Stromkreis durch mechanische Kontakte an diesem Widerstand angeschlossen.
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Diese Methode versagt jedoch, wenn ein mechanischer Kontakt, z.B.
wegen zu kleiner Widerstandsanschlüsse, nicht angebracht werden kann, oder wenn
für die Widerstandsmessung nur eine sehr kurze Zeit zur Verfügung steht.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dessen
Hilfe Widerstände mit sehr kleinen Kontaktflecken in sehr -kurzer Zeit gemessen
werden können.
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Diese Aufgabe Wird durch ein Verfahren gelöst, das erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Kontaktfleck bzw.
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beide Kontaktflecken des zu messenden Widerstandes von einem Elektronenstrahl
bzw. von zwei Elektronenstrahlen angesteuert wird bzw. angesteuert werden.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktfleck des zu messenden Widerstandes von dem
Elektronenstrahl angesteuert wird und daß der andere Kontaktfleck mit einer Strommeßanordnung
verbunden ist und daß zur Widerstandsbestimmung der über den liderstand fließende
Abserptionsstrom gemessen wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktfleck des zu messenden Widerstandes von
einem Elektronenstrahl und der andere Kontaktfleck des zu messenden Widerstandes
von einem weiteren Elektronenstrahl angesteuert wird, wobei die Beschleunigungsspannungen
der Elektronenstrahlen so gewählt werden, daß der Sekundärelektronenemissionskoeffizient
des einen Elektronenstrahls an der einen kontaktstelle kleiner als 1 ist, und der
Sekundärelektronenemissionskoeffizient des anderen Elektronenstrahls an der anderen
Kontaktstelle größer als 1 ist, und daß zur Bestimmung des zu messenden Widerstandes
das Potential an der Kontaktstelle, an der der Elektronenemissionskoeffizient größer
als 1 ist, durch Messung des von dieser Kontaktstelle ausgehenden Sekundärelektronenstromes
bestbamt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Bestimmung des Potentials
an der Kontaktstelle, an der der Elektronenemissionskoeffizient größer als 1 ist
anstelle des gesamten Sekundärelektronenstromes ein bezüglich der Energie ausgefiltert
er Teil des Sekundärelektronenstomes oder der Augerelektronenstrom verwendet.
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Der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielbare Vorteil besteht
insbesondere darin, daß Widerstände gemessen werden können, die wegen zu kleiner
Widerstandsanschlüsse mechanisch nicht kontaktierbar sind. So können beispielsweise
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Widerstände von Leiterbahnen in Schaltungsplatten
oder in integrierten Schaltkreisen'gemessen werden.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich
aus der Kürze der für das Verfahren notwendigen Zeit.
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So ist zum Beispiel zur Messung des Widerstandes einer Leiterbahn
zwischen zwei Kontaktflecken ein Zeitaufwand von etwa 10-4 sec notwendig.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aids der Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Weiterbildungen hervor.
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Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung das Prinzip der Widerstandsmessung
von Leiterbahnen mit einfacher Elektronenstrahlabtastung.
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Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Widerstandsmessung mit
einfacher Elektronenstrahlabtastung.
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Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung das Prinzip der Widerstandsmessung
mit doppelter Elektronenstrahlabtastung.
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Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Widerstandsmessung mit
doppelter Elektronenstrahlabtastung.
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In der Figur 1 ist die Kathode mit 1 bezeichnet. Die Anode trägt das
Bezugszeichen 2. Sie ist vorzugsweise mit Masse verbunden. An der Klemme 5 der Kathode
liegt vorzugsweise das Potential Zur zur Beschleunigung der Elektronen des Elektronenstrahls
an. Vorzugsweise beträgt des Kathodenpotential 100 V. Der Elektronenstrahl trägt
das Bezugszeichen 6. Er trifft auf das Ende 31 des Widerstandes 3 auf0 Bei den folgenden
Überlegungen ist ein etwa auftretender Sekundärelektronenstrom vernachlässigt Das
Ende 32 des Widerstandes 3 ist über das Strommeßgerät 4 mit Potential, vorzugsweise
mit Masse, galvanisch verbunden. Der in den Widerstand 3 eintretende Elektronenstrom
IO fließt ungehindert durch den Widerstand, sofern der Spannungsabfall UR am Widerstand
kleiner als die Beschleunigungsspannung Uk der Elektronen ist. Erreicht der Spannungsabfall
UR an Widerstand 3 einen Wert UR ##UK#, so können nicht mehr alle durch die Beschleunigungsspannung
Uk beschleunigten Elektronen gegen das Potential UR # Uk des Kontaktflecks 31 anlaufen
und werden an diesem gespiegelt.
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Durch den Widerstand 3 fließt dann der absorbierte Elektronenstrom
wobei UR = Uk ist. Der am Kontaktfleck 31
gespiegelte Elektronenstrom
Isp ist mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Er ergibt sich aus der Differenz des Elektronenstroms
IO und des absorbierten Elektronenstroms : Isp = Io - Iabs.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sind Widerstände, deren Größenordnung
so beschaffen ist, daß sie zu einem Absorptionsstrom und zu einem gespiegelten Elektronenstrom
führen meßbar.
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Nachfolgend sind unter der Voraussetzung, daß Uk und IO konstant sind,
die sich im Gleichgewichtszustand einstellenden Werte von Strom und Spannung zusammengestellt.
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; Iabs - Uk/R ; Isp = IO - Iabs ; UR = R. Iabs - Uk Zur Widerstandsmessung
kann sowohl der mit der Meßanordnung 4 gemessene Absorptionsstrom als auch der mit
hilfe eines Gerätes zur elektrischen Meßwertverarbeitung gemessene gespiegelte Elektronenstrom
dienen. Die Beziehungen zwischen dem zu messenden Widerstand R und dem Absorptionsstrom
bzw.
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dem gespiegelten Elektronenstrom lauten:
, wobei Uk und Io konstant sind.
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Pigur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Widestandsmessung mit
der erfindungsgemäßen einfachen Elektronenstrahlabtastung. Die zu messenden Widerstände
sind mit dem Bezugszeichen 3 versehen. Die Enden 32 der Widerstände 3 sind mechanisch
kontaktiert, parallel geschaltet und über die Strommeßanordnung 9 mit Potential
verbunden. Die Kontaktflecken 31 der Widerstände 3 sind nicht mechanisch kontaktierbar
und werden durch den Elektronenstrahl 6 angesteuert. Die von der Kathode 1 emittierten
Elektronen des Elektronenstrahls 6 werden durch die zwischen der vorzugsweise geerdeten
Anode 2 und der Kathode liegenden Spannung Uk beschleunigt. Nach Durchtritt durch
die Anodenblende werden die Elektronen durch eine magnetische Linse 10 gebündelt
und mittels geeigneter Ablenkelemente 12 auf die Kontaktflecken 31 der
Widerstände
3 gerichtet. Bei diesen Ablenkelementen handelt es sich vorzugsweise um Ablenkspulen.
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Einzelheiten der Figur 3, die bereits in den anderen Figuren beschrieben
sind, tragen die entsprechend-en Bezugszeichen.
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In der Figur 3 sind die beiden Kathoden der beiden Elektronenstrahlen
mit den Bezugszeichen 1 bzw. 11 versehen. Die beiden Anoden tragen die Bezugszeichen
2 bzw. 22. Sie sind bei diesem Beispiel mit LIasse verbunden. An die Klemmen 5 bzw.
55 der Kathoden werden die elektrischen Potentiale -UK1 bzw.
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UK2 zur Beschleunigung der Elektronen der Elektronenstrahlen 6 bzw.
66 angelegt. Der Elektronenstrahl 6 trifft auf das nicht kontaktierbare nde 31 des
Widerstandes 3 auf. Der Elektronenstrahl 66 trifft auf das andere nicht kontaktierbare
Ende 32 des Widerstandes 3 auf, Um einen Stromfluß durch den 31 Widerstand zu ermöglichen,
muß das eine Ende des Widerstandes 3 mit einem Elektronenstrahl 6 von solcher Energie
bestrahlt werden, daß die Anzahl der sekundar ausgelösten Elektronen kleiner ist,
als die Anzahl der einfallenden Elektronen. Am anderen Ende 32 des Widerstandes
3 muß die Energie der aufauftreffenden Elektrone des Elektronenstrahls 66 so bemessen
sein, daß die Anzahl der sekundär ausgelösten Elektronen größer ist als die Anzahl
der auf dem Kontaktfleck 32- auftreffenden Elektronen des Elektronenstrahls 66.
Durch diese Dimensionierung wird eine Aufladung des Widerstandes 3 vermieden.
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Auf den Kontaktfleck 31 treffen Elektronen mit der Beschleunigungsspannung
-UK1 der Stärke I1 auf. Der Sekundär-elektronenemissionskoeffizient ist kleiner
als 1, der dadurch bedingte Sekundärelektronenstrom wird bei den folgenden Überlegungen
vernachlässigt. Auf den Kontaktfleck 32 dagegen treffen Elektronen mit der Beschleunigungsspannung
-UK2 der Stärke 12 auf. Der Sekundärelektronenemissionskoeffizient ist dort größer
als 1 und hat den Sekundärelektronenstrom 14 Isek zur Folge. I2 wird so gewählt,
daß der gesamte Strom. 11 des
Elektronenstrahls 6 den Widerstand
3 passieren kann. Am Widerstand 3 baut sich infolge des durch ihn fließenden Stromes
I1 die Spannung UR = I1 . R auf, wenn I1 = Isek - I2 ist. Der gesamte, durch den
Widerstand fließende Strom I1 kompensiert am nde 32 gerade das durch den Überschuß
an Sekundärelektronen entstehende Elek also Uk1 < I1 . R und daher
izit. Ist UR > UK1 , so liegt an den Kontaktflecken 31 und 32 die Potentialdifferenz
AU > Uki.
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Unter der Annahme, daß sich das Ende 32 des Widerstandes auf Erdpotential
einstellt, steht dem Elektronenstrahl 6 ein Potential gegenäber, das negativer als
UK1 ist, was zur Folge hat, daß der Elektronenstrahl 6 nicht mehr gegen dieses Potential
anlaufen kann. Das Ende 32 des Widerstandes wird sich also, infolge des kleineren
Stromes I< 11 positiv aufladen, weshalb das Potential am Ende 31 weniger negativ
wird. Es kann nun wieder ein größerer Strom I1 durch den Widerstand fließen. Im
Gleichgewichtszustand wird das Ende 31 des Widerstandes 3 gerade auf das Potential
UK1 aufgeladen, d.h. es wird im Gleichgewichtszustand der Strom IR = I1 fließen.
Das Ende 32 des Widerstandes niemt das Potential U2 = UK1 + I1 . R an. Da I1 . R
> UK1 ist, läuft der Elektronenstrahl immer gegen das positive Potential U2 an.
Im Widerstand 3 fließt unabhängig von dessen Wert der Strom IR = I1 . Die Spannungsdifferenz
#U = U2 - U1 ist abhängig von dem Widerstand.
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Da für Widerstände
ist, ist in diesen Fällen allein das Potential U2 und somit der Sekundärelektronenstrom
Isek eine Funktion des Widerstandes. Der zu messende Widerstand wird beispielsweise
durch Messung dieses Sekundärelektronenstromes bestimmt. Nachstehend sind für konstante
Weite von UK1, UK2, I1 und I2 und Isek die im Gleichgewichtszustand herrschenden
Werte von Strom und Spannung zusammengestellt.
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UK1 = U1 < 0 ; U2 = UK1 + I1 . R > 0 Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Widerstandsmessung mit doppelter Elektronenstrahlabtastung.
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Einzelheiten der Figur 4, die bereits in den anderen Figuren beschrieben
sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen.
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Die durch das erfindungsgemäße Meßverfahren zu messenden Widerstände
3 sind vorzugsweise Leiterbahnwiderstände einer Leiterplatte 15. Die Enden 31 und
32 eines Widerstandes 3 sind mechanisch nicht kontaktierbar. Der zwischen Kathode
1 und Anode 2 erzeugte Elektronenstrahl 6 wird mit Hilfe der Vorrichtungen 10 und
der Ablenkelemente 12 auf den Kontaktfleck 31 gelenkt, während der zwischen der
Kathode 11 und der Anode 22 erzeugte Elektronenstrahl 66 mit Hilfe der Vorrichtungen
100 und der Ablenkelemente 120 auf den Kontaktfleck 32 des Widerstandes 3 gelenkt
wird. Bei den Vorrichtungen 10 und 100 bzw. bei den Ablenkelementen 12 und 120 handelt
es sich vorzugsweise um magnetische Linsen bzw. um Ablenkspulen. Wie oben bereits
beschrieben,ist die Beschleunigungsspannung eines der Elektronenstrahlen so bemessen,
daß die Sekundärelektronenausbeute an dem zugehörigen Kontaktfleck kleiner als 1
ist, während sie beim anderen Elektronenstrahl so bemessen ist, daß die Sekundärelektronenausbeute
an dem zugehörigen Kontaktfleck größer als 1 ist. In der Figur 4 handelt es sich
bei dem Elektronenstrahl, dessen Sekundärelektronenausbeute größer als 1 ist, beispielsweise
um den Elektronenstrahl 66. Der ihm zugehörige Kontaktfleck ist mit dem Bezugszeichen
32 versehen. Der an dem Kontaktfleck 32 entstehende Sekundärelektronenstrahl trägt
des Bezugszeichen 14.
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Zur messung des Sekundärelektronenstrahls 14 und somit zur Bestimmung
des Widerstandswertes des Widerstandes 3 dient das elektronische Gerät 90. Es besteht
vorzugsweise aus einem Sekundärelektronendetektor ggf. mit Energiefilter und einer
elektronsichen Meßwertverarbeitung.
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Die beiden erfindungsgemäßen Verfahren zur beri'bhrungslosen Messung
von Widerständen oder eine Kombination beider Verfahren finden beispielsweise Verwendung
bei. der Kessung der
Widerstände von Leiterbahnen in Schaltungsplatten.
Auf der Oberseite solcher Schaltungsplatten, beispielsweise der Siemens "Leiterplatte
73", sind AnschluBpunkte (Kontaktflecke) für beispielsweise Halbleiterschaltkreise
im Rastermaß von 0,254 mm angebracht. In den darunter liegenden Ebenen laufen Verbindungen,
die je nach Aufgabe der Schaltkreise zu den verschiedenen Punkten der Oberseite
laufen, und andererseits auch Anschlüsse zur Unterseite der Platte haben. Die auf
der Unterseite der Platte befindlichen Anschlüsse haben beispielsweise ein Rastermaß
von 2,54 mm. Während an der Unterseite der Platte die dort herausgeführten Leiterbahnen
durch mechanische Kontaktierung auf ihre Funktionsfähigkeit gemessen werden können,
ist dies für Lelterbahnen mit nur oben herausgeführten Kontaktflecken durch mechanische
Kontaktierung nicht mehr möglich. Zur messung der Widerstände von der Oberseite
her wird deshalb nach einem der erfindungsgemäßen Verfahren oder nach einer Kombination
beider Verfahren vorgegangen.
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5 Patentansprüche 4 Figuren