DE2345849A1 - ARRANGEMENT FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE THICKNESS OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE LAYERS - Google Patents
ARRANGEMENT FOR CONTACTLESS MEASUREMENT OF THE THICKNESS OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE LAYERSInfo
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Description
LEYBOLD-HERAEUS-GmbH & Co. KG. 5ooo KÖLN 51LEYBOLD-HERAEUS-GmbH & Co. KG. 5ooo COLOGNE 51
Bonner Straße 5o4Bonner Strasse 5o4
" Anordnung zur berührungslosen Messung der Dicke elektrisch leitiähiger Schichten ""Arrangement for non-contact measurement of the thickness of electrically conductive layers"
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Dicke elektrisch leitfähiger Schichten, bestehend aus einer Induktionsspule mit einem Wechselspannungsgenerator und einer Meßeinrichtung für die Erfassung des Induktivitätswertes der Induktionsspule.The invention relates to an arrangement for the non-contact measurement of the thickness of electrically conductive layers, consisting of from an induction coil with an alternating voltage generator and a measuring device for the detection of the inductance value the induction coil.
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·* £» mm · * £ » mm
Elektrisch leitfähige Schichten, insbesondere solche auf isolierenden Unterlagen, werden in der Technik in den verschiedensten Ausführungsformen und zu den unterschiedlichsten Verwendungszwecken benötigt. So sind beispielsweise Fensterscheiben für Gebäude und Kraftfahrzeuge bekannt, bei denen eine dünne Metallschicht die Durchlässigkeit unerwünschter Infrarotstrahlung verhindert. Bei Kraftfahrzeugscheiben werden die dünnen Metallschichten häufig zusätzlich auch noch als Heizwiderstände für die Scheibenbeheizung benutzt. In großem Umfange werden Metallniederschläge auf thermoplastischen Folienbahnen sehr großer Länge zur Herstellung von Kondensatoren, sowie aber auch als Dekorationsmaterial (optische Effekte) benutzt. Papierbahnen mit niedergeschlagenen Metalldämpfen dienen beispielsweise auch als Schreibstreifen in Registriergeräten für Meßzwecke. In allen Fällen, insbesondere aber dann, wenn der Flächenwiderstand einer solchen Schicht eine Rolle spielt, kommt es darauf an, eine genau definierte Schichtdicke zu erreichen und diesen Wert reproduzierbar für eine große Zahl von Einzelteilen oder über eine große Länge von "Endlosprodukten" konstant zu halten.Electrically conductive layers, in particular those on insulating substrates, are widely used in technology Embodiments and required for a wide variety of uses. So are for example Window panes for buildings and automobiles are known in which a thin metal layer is the permeability prevents unwanted infrared radiation. In the case of automobile windows, the thin metal layers are used often also used as heating resistors for heating the windows. On a large scale metal deposits on thermoplastic film webs of very long lengths for the production of capacitors, but also used as a decorative material (optical effects). Paper webs with precipitated metal vapors serve, for example, as writing strips in recording devices for measuring purposes. In all cases, but especially when the sheet resistance of such a layer is a What matters, it is important to achieve a precisely defined layer thickness and this value to be reproducible constant for a large number of individual parts or over a large length of "continuous products".
In der Praxis hat sich eine Vielzahl von Verfahren zum Aufbringen solcher Schichten bewährt, wie zum Beispiel das Aufdampfen oder Aufstäuben (Katodenzerstäubung) im'Vakuum, die thermische Zersetzung von Metallverbindungen sowie eine Vielzahl von galvanischen Prozessen. Hierbei ist die Niederschlagsrate, d.h. die pro Zeit- und Flächeneinheit niedergeschlagene Menge des elektrisch leitfähigen Schichtmaterials meist von einer Mehrzahl von Parametern abhängig, die in den meisten Fällen einzeln regelbar bzw. steuerbar sind. Außerdem spielt der Zeitfaktor eine Rolle, da die erzeugten Schichten durch eine längere Anwendung des betreffenden VerT fahrens verstärkt werden können. Die Regelbarkeit der unterschiedlichen Verfahren ist im einzelnen hinlänglich bekannt.In practice, a large number of methods for applying such layers have proven successful, such as vapor deposition or sputtering (cathode sputtering) in a vacuum, the thermal decomposition of metal compounds and a large number of galvanic processes. The rate of precipitation, ie the amount of the electrically conductive layer material deposited per unit of time and area, is mostly dependent on a plurality of parameters which in most cases can be regulated or controlled individually. Also, the time factor plays a role since the layers produced can be enhanced by prolonged use of the relevant United T proceedings. The controllability of the different processes is well known in detail.
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Ein erfolgreicher Eingriff in ein solches Verfahren setzt jedoch voraus, daß die Schichtdickeninessung rasch und zuverlässig, ohne Störeinflüsse und ohne Zerstörung bzw. Beschädigung des Meßguts erfolgen kann. Nur bei Erfüllung dieser Auflagen ist die Gewähr dafür gegeben, kostspieligen Ausschuß zu vermeiden.Successful intervention in such a procedure implies However, it is assumed that the layer thickness measurement is quick and reliable, can take place without interference and without destroying or damaging the material to be measured. Only when fulfilled These conditions guarantee that costly rejects will be avoided.
Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, eine Vielzahl von Verfahren zur berührungslosen Schichtdickenraessung zu entwickeln. Fotometrische Verfahren, die auf der Messung des reflektierten oder von der Schicht durchgelassenen Lichtanteils beruhen, sind auf die Messung extrem dünner Schichten beschränkt, nämlich solcher, die optisch noch durchlässig sind«. Ein auch für optisch undurchlässige Schichten geeignetes, berührungsloses Messverfahren, welches auf der Messung des ohmfsehen Widerstandes der Schicht durch deren kapazitive Ankopplung an einen Messkreis beruht, gehört ebenfalls bereits zum Stande der Technik (DT-OS 1 813 333). Hierbei wird die zu messende Schicht mit ihrer Unterlage über Metallwalzen geführt, wobei die Unterlage das Dielektrikum der aus Walzen und Metallschicht bestehenden Kondensatoren bildet. Dieses Messverfahren erfordert jedoch einen beträchtlichen apparativen Aufwand im Hinblick auf die Ausbildung und Lagerung der Ankopplungswalzen und deren Stromabnehmer. Außerdem beeinflussen Art und Dicke des Dielektrikums den Messwert, wobei nicht immer Gewähr für konstante Werte überommen werden kann. Außerdem verändert ein Flattern des über die Rollen geführten Messguts den für die Messung ausschlaggebenden Umschlingungswinkel. Schließlich sind aber Veränderungen im Übergangswiderstand der Schleifkontakte Ursachen für etwaige Fehlmessungen. There has therefore been no lack of attempts to develop a large number of methods for contactless layer thickness measurement. Photometric methods that are based on the measurement of the reflected or transmitted portion of the light are limited to the measurement of extremely thin layers, namely those that are still optically transparent «. A non-contact measuring method, which is also suitable for optically opaque layers and is based on the measurement of the ohm f see resistance of the layer through its capacitive coupling to a measuring circuit, also belongs to the state of the art (DT-OS 1 813 333). Here, the layer to be measured is guided with its base over metal rollers, the base forming the dielectric of the capacitors consisting of rollers and metal layer. However, this measuring method requires a considerable outlay in terms of equipment with regard to the design and storage of the coupling rollers and their current collectors. In addition, the type and thickness of the dielectric influence the measured value, although constant values cannot always be guaranteed. In addition, fluttering of the material to be measured, which is guided over the rollers, changes the wrap angle, which is decisive for the measurement. Ultimately, however, changes in the contact resistance of the sliding contacts are the cause of any incorrect measurements.
Es ist auch schon bekannt, eine induktive Ankopplung der zu messenden Schicht an einen Messkreis zur Bestimmung derIt is already known to have an inductive coupling of the to be measured layer to a measuring circle to determine the
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Schichtdicke zu benutzen (DT-PS 1 o95 524 und DT-PS 1 o98 718), Die dort beschriebenen Messgeräte sind jedoch besonders auf bestimmte Messobjekte, nämlich elektrisch leitfähige Beläge von Katodenstrahlröhren zugeschnitten, die nur von einer Seite her zugänglich sind. Da die Stärke des Röhrenmaterials einen erheblichen Einfluß auf das Messergebnis hat, mußten aufwendige Komsensationsschaltungen angegeben werden, mit denen ein derartiger Einfluß ausgeschaltet werden kann. Da ein Luftspalt weitere Verfälschungen des Messergebnisses zur Folge hätte, müssen die bekannten Messgeräte auf die Messobjekte aufgesetzt werden, so daß eine berührungslose Messung, insbesondere eine solche an rasch bewegten Objekten, nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil der bekannten Messgeräte besteht darin, daß die hochfrequenten Speiseströme über geschirmte Kabel, zugeführt werden, und daß das Messignal auch über geschirmte Kabel zur Auswerteeinrichtung geleitet wird. Infolge der dabei .unvermeidlichen kapazitiven Verluste ist daher die Kabellänge auf wenige Meter begrenzt.Layer thickness to be used (DT-PS 1 o95 524 and DT-PS 1 o98 718), The measuring devices described there are, however, particularly suitable for certain measuring objects, namely electrically conductive ones Coverings cut from cathode ray tubes that are only accessible from one side. Since the strength of the Tube material has a significant influence on the measurement result, complex communication circuits had to be used can be specified with which such an influence can be eliminated. As an air gap further adulterations of the measurement result would result, the known measuring devices must be placed on the measurement objects so that a non-contact measurement, especially one on rapidly moving objects, is not possible. Another disadvantage of the known measuring devices is that the high-frequency feed currents are shielded Cable, are fed, and that the measurement signal is also conducted via shielded cables to the evaluation device. As a result of the inevitable capacitive losses, the cable length is therefore limited to a few meters.
Es ist schließlich auch bekannt, ein induktives Messgerät in Form eines einseitig wirkenden Messkopfes zur Dickenbestimmung einer laufenden Bahn einzusetzen (US-PS 2 438 5o6). Auch hierbei ist der Abstand des Messkopfes von der zu messenden Bahn für ein.einwandfreies Messergebnis von äußerster Wichtigkeit, so daß der Messkopf mittels einer Rollenführung auf einer beweglichen Unterlage abgestützt wird, auf der auch die zu messende Bahn läuft. Das mit dem Messkopf verbundene, besondere Führungselement für den Messkopf und die Unterlage stellt ein unerwünschtes zusätzliches Bauteil dar, für welches, insbesondere bei Vakuumanlagen, häufig nicht der erforderliche Raum zur Verfügung steht. Außerdem geht bei diesem Messverfahren wiederum die Dicke der Unterlage in das Messergebnis ein, falls die DickeFinally, it is also known to use an inductive measuring device in the form of a unidirectional measuring head for determining thickness a moving web (US-PS 2,438,5o6). Here, too, is the distance between the measuring head and the measuring path for a flawless measurement result of the utmost importance, so that the measuring head by means of a Roller guide supported on a movable base on which the track to be measured also runs. The special guide element for the measuring head connected to the measuring head and the base represents an undesirable additional component for which, especially in the case of vacuum systems, often the space required is not available. In addition, with this measurement method, the thickness is a factor of the base in the measurement result, if the thickness
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einer elektrisch leitfähigen Beschichtung gemessen werden soll. Für die Messung von nicht in Folienform vorliegenden Messobjekten ist diese bekannte Vorrichtung völlig ungeeignet. an electrically conductive coating is to be measured. For the measurement of not in foil form This known device is completely unsuitable for measurement objects.
Bei der Dickenmessung elektrisch leitfähiger Schichten insbesondere in Form von Belegungen elektrisch isolierender Unterlagen, welche sich relativ zum Messgerät bzw. Messfühler bewegen, besteht immer die Gefahr, daß die zu messende Schicht ihre räumliche Lage zum Messfühler verändert und/oder daß die Dicke der Unterlage, die für das Messergebnis an sich unwichtig ist, sich ändert. Außerdem soll die Eingangsgröße der Messung nach Möglichkeit über größere Entfernungen zu einer Mess- oder Regelanordnung geführt werden, ohne daß hierdurch besondere Kompensationseinrichtungen für unterschiedliche Längen der Ubertragungsleitungen erforderlich werden. Schließlich sollen auch Frequenzänderungen der für die induktive Messung erforderlichen Wechselfrequenz, insbesondere Hochfrequenz einen möglichst geringen Einfluß auf das Messergebnis haben. Die gleiche Anforderung muß naturgemäß auch an die Unabhängigkeit des Messergebnisses von etwaigen Temperaturschwankungen gestellt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Anordnung so zu verbessern, daß auch erhebliche Abweichungen in der räumlichen Lage der zu messenden Schicht gegenüber dem Messfühler, in der Wechselfrequenz und in der Länge der elektrischen Anschlußleitungen ohne merklichen Einfluß auf das Messergebnis bleiben. Diese Forderungen sollen bei gleichzeitigem, geringstmöglichem konstruktivem Aufwand und kleinstem Platzbedarf erfüllt werden.When measuring the thickness of electrically conductive layers in particular in the form of assignments of electrically insulating documents, which are relative to the measuring device or measuring sensor move, there is always the risk that the layer to be measured changes its spatial position in relation to the measuring sensor and / or that the thickness of the base, which is unimportant for the measurement result per se, changes. In addition, the input variable of the measurement should if possible over greater distances to a measurement or Control arrangement are performed without the need for special compensation devices for different Lengths of the transmission lines are required. Finally, changes in frequency of the inductive measurement required alternating frequency, in particular high frequency as little influence as possible have on the measurement result. Must have the same requirement Naturally, the independence of the measurement result from any temperature fluctuations must also be made. Of the The invention is therefore based on the object of improving the arrangement described at the outset in such a way that also considerable Deviations in the spatial position of the layer to be measured in relation to the measuring sensor, in the alternating frequency and remain in the length of the electrical connection lines without any noticeable influence on the measurement result. These Requirements should be met with the least possible design effort and the smallest space requirement will.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Anordnung erfindungsgemäß dadurch, daß derThe object is achieved in the arrangement described at the outset according to the invention in that the
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Induktionsspule gegenüber unter Belassung eines Luftspaltes eine zweite Induktionsspule gleicher Auslegung"angeordnet ist, wobei die Stromrichtung in beiden Spulen gleichsinnig ist, und daß die Ausgangssignale beider Spulen additiv der Messeinrichtung aufgeschaltet sind. Auf diese Weise entsteht in Bezug auf den Luftspalt, durch den die zu messende Schicht geführt wird, eine vollkommen symmetrische Anordnung, die aufgrund der weiter unten noch erörterten Zusammenhänge Lageabweichungen der zu messenden Schicht zuläßt bzw. innerhalb des Systems ausgleicht. Der Luftspalt und damit die zulässige Abweichung kann gegenüber herkömmlichen Systemen sogar beträchtlich vergrößert werden, weil sich Nichtlinearitäten in den Kennlinien der Induktionsspulen aufgrund der additiven überlagerung der Felder aufheben bzw. ausgleichen. Etwaige Frequenzänderungen wirken sich auf beide Induktionsspulenpaare aus, so daß innerhalb bestimmter Grenzen keine Verfälschung des Messwer'tes stattfindet. Da die erfindungsgemäße Anordnung keinen Schwingkreis enthält, der unter Verwendung der Kapazität der Zuleitung gebildet wird, haben auch Änderungen in der Länge der Leitungsführung keinen unerwünschten Einfluß auf das Messergebnis. Auf Mittel zum Abgleich einer solchen Kapazitätsänderung kann folglich vollständig verzichtet werden. Da die erfindungsgemäße Lösung weiterhin die Anordnung von Gleichrichtern und Kondensatoren in unmittelbarer Nähe bzw. in Baueinheit mit den Induktionsspulen gestattet, werden nach der Gleichrichtung ausschließlich Gleichspannungen übertragen. Die Erfahrung zeigte, daß ein Luftspalt vom 7 τ Io mm Weite ohne weiteres zu erreichen ist, so daß die Gefahr eines Anlaufens des bewegten ;4essobjektes und damit ein Verkratzen der Schicht weitgehend ausgeschlossen ist.Induction coil opposite a second induction coil of the same design "arranged" leaving an air gap is, the direction of current in both coils is the same, and that the output signals of both coils are additive are connected to the measuring device. In this way a completely symmetrical one arises in relation to the air gap through which the layer to be measured is passed Arrangement that, due to the interrelationships discussed below, poses deviations in position of the layer to be measured allows or compensates within the system. The air gap and thus the permissible deviation can be compared to conventional systems can even be enlarged considerably, because there are non-linearities in the characteristic curves of the induction coils due to the additive superposition of the fields cancel or compensate. Any frequency changes affect both pairs of induction coils, so that within certain limits no falsification of the measured value takes place. Since the inventive Arrangement does not contain an oscillating circuit that is formed using the capacitance of the supply line Changes in the length of the cable routing do not have an undesirable effect on the measurement result. On means to compensate for such a change in capacitance can consequently be completely dispensed with. Since the inventive Another solution is the arrangement of rectifiers and capacitors in the immediate vicinity or in a structural unit Permitted with the induction coils, only direct voltages are transmitted after rectification. the Experience has shown that an air gap of 7 τ Io mm width can be easily reached, so that there is a risk of the moving object running against it and thus scratching it the layer is largely excluded.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, daß in einem Leiter~, der sich in einem magnetischen Wechselfeld befindet, Wirbel-The invention is based on the principle that in a conductor , which is located in an alternating magnetic field, eddy
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ströme induziert werden. Die Stärke dieser Ströme richtet sich nach der Leitfähigkeit des Materials und nach der Dichte der magnetischen Feldlinien, die das zu messende Objekt durchdringen. Die induzierten Ströme erzeugen ein Gegenfeld, welches das Primärfeld schwächt. Die Folge ist eine Dämpfungswirkung auf die Induktivität, die das Primärfeld erzeugt, infolge der*Wirbelstromverluste im Messobjekt. Der Induktivitätswert der Messpule nimmt in entsprechendem Maße ab. Wenn man eine solche Spule mit (Hochfrequenter) Wechselfrequenz speist, so zeigt sich infolgedessen beim Einbringen eines elektrischen Leiters in das Magnetfeld ein Absinken der Spannung an den Enden der Spule. Je näher das Messobjekt der Induktionsspule kommt, um so größer v/ird die Dämpfungswirkung. Bei der erfindungsgemäßen symmetrischen Anordnung hat nun die Annäherung an die eine Induktionsspule eine Zunahme der Entfernung von der anderen Induktionsspule und damit eine Verringerung der Dämpfungswirkung zu Folge. Bei der angegebenen Schaltung der Induktionsspulen erfolgt somit ein Ausgleich der Spannungsänderurig an beiden Spulen, der die gewünschte Unabhängigkeit von der räumlichen Lage des Messobjekts zur Folge hat. Der Spannungsabfall einer jeden Induktionsspule in Abhängigkeit von der Lage des Messobjekts läßt sich in Form einer "Kennlinie" darstellen, die von einem gewissen Abstand von der Induktionsspule an einen nahezu geradlinigen Verlauf hat. Durch Überlagerung zweier Kennlinien entsteht ein Bereich ausreichender Breite zwischen den Induktionsspulen, in dem die Summe beider Spannungsabfälle nahezu konstant ist. Bezüglich weiterer Einzelheiten dieser Zusammenhänge sei auf die Detailbeschreibung verwiesen.currents are induced. The strength of these currents depends on the conductivity of the material and on the Density of the magnetic field lines that penetrate the object to be measured. The induced currents generate a Opposing field, which weakens the primary field. The consequence is a damping effect on the inductance, which the Primary field generated as a result of the * eddy current losses in the Measurement object. The inductance value of the measuring coil decreases accordingly. If you have such a coil feeds with (high-frequency) alternating frequency, it shows up as a result when introducing an electrical Conductor in the magnetic field a drop in voltage at the ends of the coil. The closer the target to the induction coil comes, the greater the damping effect. In the symmetrical arrangement according to the invention the approach to one induction coil has an increase in the distance from the other induction coil and thus a reduction in the damping effect. With the specified circuit of the Induction coils are thus compensated for the voltage changes on both coils that the desired Independence from the spatial position of the measurement object results. The voltage drop of each induction coil depending on the position of the measurement object can be represented in the form of a "characteristic curve" that is generated by a has a certain distance from the induction coil on an almost straight line. By superimposing two characteristics an area of sufficient width is created between the induction coils, in which the sum of the two voltage drops is almost constant. For more details reference is made to the detailed description for these relationships.
Die Wirksamkeit der Induktionsspulen wird gemäß der weiteren Erfindung dadurch erhöht, daß die Induktionsspulen in Ferrit-The effectiveness of the induction coils is increased according to the further invention that the induction coils in ferrite
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Schalenkernen eingebettet sind, deren offene Seiten unter Belassung eines Luftspaltes spiegelsymmetrisch aufeinander zugerichtet sind. Um den Einfluß der nichtlinearen Abhängigkeit der Dämpfungswirkung vom Abstand des Messobjekts in unmittelbarer Nachbarschaft der Induktionsspulen auszuschalten, wird gemäß der weiteren Erfindung vorgeschlagen, daß sich zwischen den Induktionsspulen auf beiden Seiten des Luftspaltes Isolierstoffauflagen einer solchen Dicke befinden, daß die zu messende Schicht am Eintritt in den Bereich des überproportionalen Anstiegs der Messempfindlichkeit der Induktionsspulen gehindert ist.Shell cores are embedded, the open sides of which are mirror-symmetrical to one another, leaving an air gap are trimmed. About the influence of the non-linear dependence of the damping effect on the distance of the measuring object to switch off in the immediate vicinity of the induction coils, according to the further invention suggested that there be insulating material between the induction coils on both sides of the air gap are of such a thickness that the layer to be measured enters the area of the disproportionate rise the measuring sensitivity of the induction coils is hindered.
Zum Ausgleich etwaiger Temperatureinflüsse auf die Anzeigegenauigkeit der Anordnung ist es zweckmäßig, einen Vergleichsspulensatz gleicher Auslegung vorzusehen, dessen gemeinsames Ausgangssignal demjenigen der Induktionsspulen zum Zwecke einer Kompensationswirkung elektrisch entgegengeschaltet ist. Die zum Zwecke einer elektrischen Verarbeitung der Signale der einzelnen Induktionsspulen erwünschte Gleichspannung wird dadurch erzeugt, daß in den Ausgangsleitungen aller Induktionsspulen getrennte :,: Gleichrichter und Glättungsltondensatoren angeordnet sind, und daß die Ausgänge zusammengeschaltet sind. Bei entsprechend gewählter Durchlassrichtung der Gleichrichter ergeben sich die gewünschten additiven bzw. subtraktiven Wirkungen im Hinblick auf die Zusammenschaltung der einzelnen Signale.To compensate for any temperature influences on the display accuracy the arrangement, it is useful to provide a comparison coil set of the same design, its common output signal to that of the induction coils for the purpose of a compensation effect is switched in the opposite direction. For the purpose of electrical processing of the signals from the individual induction coils The desired DC voltage is generated by having separate:,: Rectifiers and smoothing capacitors are arranged, and that the outputs are connected together. With accordingly The selected forward direction of the rectifier results in the desired additive or subtractive Effects with regard to the interconnection of the individual signals.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, Wechselspannungsgenerator, Gleichrichter, Glättungskondensatoren und Mischwiderstände zusammen mit den Induktionsspulen zu einer Baueinheit zu vereinigen, die vorzugsweise noch mit einem Gießharz vergossen wird. Eine derartige Baueinheit hat einen außerordentlich geringen Raumbedarf und läßt sich ohne weiteresIt is particularly useful to have an alternating voltage generator, rectifier, smoothing capacitors and mixing resistors to combine together with the induction coils to form a structural unit, which is preferably also encapsulated with a casting resin will. Such a unit has an extremely small footprint and can be easily
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auch im Innern einer geschlossenen Anlage, wie einer Vakuum-Aufdampfanlage oder einer Katodenzerstäubungsanlage unterbringen. Die Baueinheit wird hierbei von einem U-förmigen Ge'häuse umgeben, an dessen Schenkelenden sich, nach innen zum Luftspalt gerichtet, die Induktionsspulen befinden. Die Baueinheit bildet auf diese Weise einen sogenannten Messkopf, der in der Vorrichtung, in welcher die zu messende Schicht erzeugt wird, so angeordnet wird, daß das U-förmige Gehäuse das Messobjekt umgreift. Das Ausgangssignal der Gesamtanordnung braucht dann nur noch, beispielsweise mittels eines Vielfachsteckers, einer Anzeige- und/oder Regelanordnung aufgeschaltet zu werden, die die gewünschten Parameter-des Herstellverfahrens der zu messenden Schicht beeinflußt.even inside a closed system, such as one Vacuum evaporation system or a cathode sputtering system accommodate. The structural unit is surrounded by a U-shaped housing at the ends of the legs the induction coils are facing inwards towards the air gap. The structural unit forms on this way a so-called measuring head, which is in the device in which the layer to be measured is generated is arranged so that the U-shaped housing engages around the measurement object. The output signal the overall arrangement then only needs, for example by means of a multiple connector, a display and / or control arrangement to be activated, the the desired parameters of the manufacturing process affected layer to be measured.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.An exemplary embodiment of the subject matter of the invention and its mode of operation are given below with reference to FIG Figures 1 and 2 described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Gesaratanordnung mit einem SchnittFigure 1 shows a Gesarat arrangement with a section
durch die Induktionsspulen mit Ferrit-Schalenkernen und das Messobjekt undthrough the induction coils with ferrite pot cores and the measurement object and
Figur 2 eine grafische Darstellung des VerlaufsFIG. 2 a graphical representation of the course
der Spannungsabfälle in den einzelnen Induktionsspulen in Abhängigkeit von der Lage des Messobjekts.the voltage drops in the individual induction coils depending on the Position of the object to be measured.
In Figur 1 ist mit Io ein Wechselspannungsgenerator bezeichnet, der seine Eingangsleistung über die Anschlußklemmen 11 erhält. Über eine Leitung 12 wird die erzeugte Wechselspannung (Hochfrequenz) vier Speisewiderständen 13a bis 13d zugeführt. Von diesen Speisewiderständen führenIn Figure 1, Io denotes an alternating voltage generator, which receives its input power via the terminals 11. The generated is via a line 12 AC voltage (high frequency) fed to four supply resistors 13a to 13d. Lead from these feed resistors
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Leitungen 14a bis 14d zu den jeweiligen Induktionsspulen 15a bis 15d. Die Induktionsspulen sind in entsprechende Ferrit-Schalenkerne 16 eingebettet, wobei die offenen Seiten der Ferrit-Schalenkerne 15a und 15b unter Belassung eines Luftspaltes 17 spiegelsymmetrisch aufeinander zugerichtet sind. In dem Luftspalt befindet sich ein Messobjekt 18 in Form einer Kunststoffolie 19 mit einer aus Aluminium bestehenden, im Vakuum aufgedampften elektrischleitfähigen Schicht 2o. Zwischen den Induktionsspulen 15a und 15b befinden sich auf beiden Seiten des Luftspaltes 17 Isolierstoffauflagen 21 von einer solchen Dicke, daß die zu messende Schicht 2o am Eintritt in den Bereich des überproportionalen Anstiegs der Messempfindlichkeit der Induktionsspulen 15a und 15b gehindert ist. Der zwischen den Isolierstoffauflagen 21 verbleibende Luftspalt 17 hat dabei immer noch solche Abmessungen, daß das Messobjekt 18 auch bei Flatterbewegungen nicht an die Begrenzung des Luftspaltes anstößt.Lines 14a to 14d to the respective induction coils 15a to 15d. The induction coils are embedded in corresponding ferrite shell cores 16, the open Sides of the ferrite shell cores 15a and 15b are aligned mirror-symmetrically to one another, leaving an air gap 17 are. A measurement object 18 in the form of a plastic film 19 with an from is located in the air gap Aluminum, which is electrically conductive and evaporated in a vacuum Layer 2o. The air gap 17 is located between the induction coils 15a and 15b on both sides Isolierstoffauflagen 21 of such a thickness that the Layer 2o to be measured at the entry into the area of the disproportionate increase in the measurement sensitivity of the induction coils 15a and 15b is prevented. The one between the insulation pads 21 remaining air gap 17 still has such dimensions that the measurement object 18 does not hit the boundary of the air gap even with fluttering movements.
Während die Induktionsspulen 15a und 15b ein von der Leitfähigkeit bzw. Dicke der Schicht 2o abhängiges Spannungssignal liefern, kann an den Induktionsspulen 15c und 15d eine sogenannte Vergleiehsspanriung abgegriffen werden, die derjenigen an den Induktionsspulen 15a und 15b ohne zwischengeschaltetes Messobjekt 18 entspricht. Aus Gründen der elektrischen Symmetrie ist zwischen die Induktionsspulen 15c und 15d ein Isolierstoffzwischenstück 22 geschaltet, durch welches der Abstand der betreffenden Induktionsspulen 15c und 15d dem Abstand der Induktionsspulen 15a und 15b gleich gemacht wird. Die Spulen 15c und 15d bilden einen sogenannten Vergleiclisspulensatz und dienen der Temperaturkompensation der Gesamtanordnungj sowie der Kompensation einer etwaigen Frequenzdrift.While the induction coils 15a and 15b are dependent on the conductivity or thickness of the layer 2o Supply voltage signal, a so-called comparison voltage can be tapped off at the induction coils 15c and 15d which corresponds to that at the induction coils 15a and 15b without an interposed test object 18. the end For reasons of electrical symmetry, an intermediate piece of insulating material is placed between the induction coils 15c and 15d 22 switched, through which the distance of the relevant Induction coils 15c and 15d is made equal to the pitch of the induction coils 15a and 15b. The coils 15c and 15d form a so-called comparison coil set and serve to compensate for the temperature of the overall arrangement the compensation of any frequency drift.
Jedes elektrisch leitfähige Objekt, das in den Luftspalt 17 gebracht wird, bedingt eine Spannungsabweichung von O insEvery electrically conductive object that is brought into the air gap 17 causes a voltage deviation of O ins
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Negative. Die Stromrichtung in den Induktionsspulen 15a und 15b (ebenso in 15c und 15d) ist die gleiche, so daß beim Fortbewegen des Messobjektes von der Induktionsspule 15a der Messeffekt in der Induktionsspule 15 a abnimmt, während, gleichzeitig in der Induktionsspule 15b ein ansteigendes Messignal entsteht. Dieser Vorgang ist im Zusammenhang mit Figur 2, in der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, anhand eines Diagramms näher erläutert. Bei Bewegung des Messobjekts 18 von links nach rechts verändert sich die an der Induktionsspule 15a abgreifbare Spannung u- im Sinne der angegebenen Kurve. Entsprechendes gilt für den Spannungsverlauf U2 an der Induktionsspule 15b. Über den Kurven u^ und U2 ist die Überlagerung aus beiden Kurven u., + U2 aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß die überlagerte Kurve in dem zwischen den gestrichelten senkrechten Linien liegenden Bereich einen praktisch waagrechten Verlauf hat. Hieraus geht hervor, daß Lageabweichungen des Messobjekts 18 innerhalb dieses Bereichs ohne Einfluß auf das Messergebnis sind. Die Auswirkung '."im; überproportionalen Bereich, der sich in der überlagerten Kurve durch die abfallenden Enden auszeichnet, wird durch Anbringung der Isolierstoffauflagen 21 auf den Induktionsspulen 15a und 15b verhindert, d.h. das Messobjekt 18 kann in diese Bereiche nicht eindringen. Der geradlinige Verlauf der überlagerten Kurven u^ + U2 ist jedoch breit genug für ausreichendes Maß an Lageabweiohungen des Messobjekts 18.Negatives. The direction of current in induction coils 15a and 15b (also in 15c and 15d) is the same, so that when the measurement object moves away from induction coil 15a, the measuring effect in induction coil 15a decreases, while at the same time an increasing measuring signal is generated in induction coil 15b. This process is explained in more detail with reference to a diagram in connection with FIG. 2, in which the same parts are provided with the same reference numerals. When the measurement object 18 moves from left to right, the voltage u- that can be tapped off at the induction coil 15a changes in the sense of the specified curve. The same applies to the voltage curve U 2 at the induction coil 15b. The superposition of the two curves u., + U 2 is plotted over the curves u ^ and U 2. It can be seen that the superimposed curve has a practically horizontal course in the area lying between the dashed vertical lines. It can be seen from this that positional deviations of the measurement object 18 within this range have no influence on the measurement result. The effect "." In the disproportionate area, which is characterized in the superimposed curve by the sloping ends, is prevented by attaching the insulating material layers 21 to the induction coils 15a and 15b, ie the measurement object 18 cannot penetrate these areas however, the superimposed curves u ^ + U 2 is wide enough for a sufficient amount of positional deviations of the measurement object 18.
Die an den einzelnen Induktionsspulen abgegriffenen Spannungen werden über entsprechende Leitungen vier Gleichrichtern 23a bis 23d zugeführt. Durch die Anordnung zugehöriger Glättungskondensatoren 24a bis 24d wird eine ausreichende Glättung der Signalspanhungen erzeugt, so daß in den zügehörigen Mischwiderständen 25a bis 25d ausschließlich Gleichströme fliessen und keine weiteren Dämpfungseffekte auftreten.The voltages tapped at the individual induction coils four rectifiers 23a to 23d are fed via corresponding lines. By arranging related Smoothing capacitors 24a to 24d produce sufficient smoothing of the signal voltages so that the associated Mixing resistors 25a to 25d only direct currents flow and no further damping effects occur.
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Die Signalspannungen werden über die Mischwiderstände 25a bis 25d und über die Leitungen 26 und 27 unter BerücksichtigungThe signal voltages are taken into account via the mixing resistors 25a to 25d and via the lines 26 and 27
der durch die Gleichrichter 23a bis 23d gegebenen Vorzeichen einem Operationsverstärker 28 aufgeschaltet, von dem eine Leitung 29 zu einem Mess- und Anzeigegerät 3o führt. An die Stelle dieses Geräts kann selbstverständlich auch eine automatische Regelanordnung treten, mittels welcher die Verfahrensparameter zur Erzeugung der Schicht 2o auf dem Messobjekt 18 beeinflußt werden können. Ohne Anwesenheit eines Messobjekts 18 im Luftspalt 17 hat das Gerät 3o die Anzeige "0". Ein in den Luftspalt gebrachtes Messobjekt hat eine entsprechende Spannungsabweichung zur Folge. Das Gerät 3o kann unter Verwendung von Messobjekten 18 mit definierten Schichtdicken bzw. Flächenwiderständen geeicht werden, so daß eine direkte Anzeige möglich ist. Aufgrund des Fliessens von Gleichströmen in den Leitungen 26 und 27 kann die Länge dieser Leitungen praktisch beliebig gehalten werden.the sign given by the rectifiers 23a to 23d is applied to an operational amplifier 28, from which a line 29 leads to a measuring and display device 3o. In place of this device can of course there is also an automatic control arrangement by means of which the process parameters for generation the layer 2o on the measurement object 18 can be influenced. Without the presence of a measurement object 18 in the air gap 17 the device 3o has the display "0". A measurement object brought into the air gap has a corresponding one Voltage deviation result. The device 3o can use measurement objects 18 with defined layer thicknesses or surface resistances are calibrated so that a direct display is possible. Because of the flow of direct currents in lines 26 and 27, the length of these lines can be kept practically arbitrary will.
Die Gesamtanordnung gemäß Figur 1 kann mit Ausnahme des Mess- und Anzeigegeräts 3o zu einer Baueinheit vereinigt werden, die von einem U-förmigen Gehäuse 31 umgeben ist, an dessen Schenkelenden 32 und 33 sich, nach innen zum Luftspalt 17 gerichtet, die Induktionsspulen 15a und 15b befinden. Das Gehäuse ist der Einfachheit halber durch eine umlaufende Randlinie dargestellt, die der Übersichtlichkeit halber nur im Randbereich schraffiert ist. Das Gehäuse 31 wird zweckmäßig mit einer gießfähigen Isoliermasse, z.B. Gießharz, ausgegossen. Die Baueinheit bildet einen sogenannten Messkopf, der über eine Vielfachsteckverbindung mit elektrischen Zu- und Ableitungen verbunden werden kann. Diese betreffen beispielsweise die Anschlußklemmen 11, sowie die Leitungen 26 * ; und 27.The overall arrangement according to FIG. 1, with the exception of the measuring and display device 3o, can form a structural unit are united, which is surrounded by a U-shaped housing 31, at the leg ends 32 and 33, directed inwards to the air gap 17, the induction coils 15a and 15b are located. The housing is of simplicity for the sake of clarity shown by a circumferential edge line, which for the sake of clarity only in the edge area is hatched. The housing 31 is expediently filled with a castable insulating compound, e.g. cast resin. the The unit forms a so-called measuring head, which is connected to electrical supply and discharge lines via a multiple plug connection can be connected. These relate, for example, to the terminals 11 and the lines 26 *; and 27.
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